بخش اول :
جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، بخش بعدی را مطالعه کنید.
مقدمه
چیلرهای جذبی به‌عنوان یکی از فناوری‌های مؤثر در تأمین سرمایش صنعتی و تجاری، با جایگزینی فرآیندهای مکانیکی با واکنش‌های شیمیایی، گامی مهم در کاهش مصرف انرژی برداشته‌اند. این سیستم‌ها که بر پایه جذب و تبخیر مبرد در محلول لیتیوم بروماید فعالیت می‌کنند، در عین بهره‌وری بالا، با چالش‌های فنی متعددی نیز مواجه هستند. یکی از مهم‌ترین و پیچیده‌ترین این چالش‌ها، پدیده کریستاله شدن یا بلورین شدن لیتیوم بروماید است که می‌تواند به‌طور جدی عملکرد دستگاه را مختل کند. درک دقیق این پدیده، نیازمند بررسی عمیق چرخه کاری چیلر، تغییرات دما و غلظت محلول و تعاملات حرارتی در اجزای مختلف دستگاه است. شناخت ریشه‌ای عوامل مؤثر در ایجاد کریستال‌ها، علاوه بر پیشگیری از آسیب‌های فنی، راه را برای طراحی بهینه و نگهداری موثر سیستم هموار می‌سازد. این مقاله با تحلیل جامع ماهیت کریستاله شدن در چیلرهای جذبی، تلاش دارد تا ضمن روشن ساختن مکانیزم‌های شکل‌گیری آن، راهکارهای عملی و کاربردی برای کنترل و جلوگیری از این پدیده ارائه دهد.
پدیده کریستاله شدن در چیلر جذبی
برای آن‌که بتوان ماهیت کریستاله شدن در چیلرهای جذبی را به‌درستی درک کرد، نخست باید عملکرد درونی این دستگاه‌ها و اجزای کلیدی آنها را شناخت. چیلر جذبی بر پایه تعامل بین جاذب و مبرد طراحی شده است و زمانی‌که درک عمیق‌تری از نقش اجزایی مانند لیتیوم بروماید، کندانسور و اواپراتور حاصل شود، تحلیل دلیل بروز کریستاله شدن نیز منطقی‌تر و دقیق‌تر خواهد بود.
کریستاله شدن زمانی رخ می‌دهد که لیتیوم بروماید، که به‌عنوان ماده جاذب در سیستم به کار می‌رود، از حالت محلول و مایع خارج شده و به شکل کریستال‌های نمکی تبدیل می‌شود. این بلورها در مسیر گردش سیال حرکت کرده و با انسداد مسیرهای حیاتی چون لوله‌ها، پمپ‌ها و مسیرهای داخلی مدار، عملاً جریان عملکرد سیستم را مختل می‌کنند. نتیجه این اتفاق، از کار افتادن چرخه سرمایش، افت بازدهی دستگاه و در نهایت، تحمیل آسیب‌های فنی به چیلر خواهد بود.
اولین قدم این است که با هم چرخه عملکرد چیلر جذبی و اجزای اصلی آن را به‌طور کامل بشناسیم و عملکرد هر بخش را بررسی کنیم. پس از آن می‌توانیم به موضوع مهم کریستاله شدن در چیلرهای جذبی بپردازیم و علل و پیامدهای آن را بهتر درک کنیم. این شناخت پایه‌ای، کمک می‌کند تا مشکلات سیستم را دقیق‌تر شناسایی و راهکارهای مناسبی برای جلوگیری از آنها ارائه دهیم.
چیلر جذبی چیست ؟
چیلر جذبی، که به نام چیلر ابزوربشن نیز شناخته می‌شود، یکی از سیستم‌های متداول در حوزه تهویه مطبوع به شمار می‌رود. این سیستم بر اساس فرآیند تبرید جذبی عمل کرده و به‌طور خاص برای تأمین سرمایش در محیط‌های صنعتی و تجاری طراحی شده است. در این نوع چیلرها، به جای استفاده از کمپرسورهای مکانیکی، از واکنش‌های شیمیایی میان ماده جاذب و ماده تبرید برای تولید سرما بهره‌برداری می‌شود، که این ویژگی باعث می‌شود تا چیلرهای جذبی گزینه‌ای مناسب برای کاهش مصرف انرژی و استفاده از منابع حرارتی مانند آب داغ یا بخار باشند.
اجزای چیلر جذبی
1. ژنراتور :
ژنراتور به عنوان قلب چیلر جذبی عمل می‌کند. در این بخش، انرژی حرارتی (که می‌تواند از بخار داغ یا سوخت‌های فسیلی تأمین شود) به محلول جاذب و مبرد (مانند آب و آمونیاک) منتقل می‌شود. این فرآیند باعث جداسازی مبرد از جاذب شده و مبرد را به حالت گاز درمی‌آورد.
2. کندانسور (چگالنده) :
پس از خروج گاز مبرد از ژنراتور، این گاز به کندانسور منتقل می‌شود. در این قسمت، مبرد گازی با استفاده از جریان هوای خنک یا آب خنک‌کننده، به حالت مایع تبدیل می‌شود. این فرآیند حرارت را از مبرد خارج می‌کند و آن را در حالت مایع نگه می‌دارد.
3. اواپراتور (تبخیرکننده) :
مبرد مایع به اواپراتور وارد می‌شود. در اینجا، مبرد تحت فشار کاهش می‌یابد و به سرعت تبخیر می‌شود، که این فرآیند حرارت را از محیط اطراف جذب می‌کند و باعث ایجاد سرمایش می‌گردد. این سرمایش به تأمین دمای مطلوب در فضای داخلی کمک می‌کند.
4. ابزوربر (جاذب) :
در این قسمت، جاذب (معمولاً آب) با مبرد گازی ترکیب می‌شود و فرآیند جذب آغاز می‌شود. در اینجا، مبرد به جاذب متصل شده و یک محلول را تشکیل می‌دهد. این مرحله حرارت را از محیط اطراف جذب می‌کند و به ایجاد سرما کمک می‌کند.
5. مبدل حرارتی :
مبدل‌های حرارتی به منظور افزایش کارایی و راندمان چیلرهای جذبی اضافه می‌شوند. این مبدل‌ها معمولاً در کنار اواپراتور و ابزوربر نصب می‌شوند و به انتقال حرارت بین جریان‌های مختلف (به‌ویژه بین مبرد و جاذب) کمک می‌کنند. با استفاده از مبدل حرارتی، می‌توان دما و فشار را بهینه کرده و کارایی کلی سیستم را افزایش داد.
چرا چیلر جذبی دچار کریستاله شدن می‌شود؟
کریستاله شدن در چیلرهای جذبی را می‌توان نوعی اختلال فیزیکی وشیمیایی دانست که به‌واسطه تغییرات ناپایدار در ترکیب و شرایط عملکردی محلول لیتیوم بروماید رخ می‌دهد. این پدیده زمانی شکل می‌گیرد که یا غلظت لیتیوم بروماید فراتر از آستانه مجاز می‌رود، یا دمای آن به‌طور غیرمنتظره‌ای پایین می‌افتد؛ در هر دو حالت، شرایط برای تشکیل بلورهای جامد فراهم می‌شود. بلورهایی که همچون توده‌ای ناهمگون، جریان سیال را در سیستم مسدود کرده و عملکرد سرمایش را از کار می‌اندازند.
یکی از دلایل رایج بروز این پدیده، افزایش بیش از حد دمای ژنراتور است؛ چه این انرژی حرارتی از شعله مستقیم تأمین شود، چه از بخار داغ یا سایر منابع گرمایی. زمانی که گرما بیش از اندازه به محلول اعمال می‌شود، مقدار زیادی از آب تبخیر شده و لیتیوم بروماید باقی‌مانده، بیش از حد غلیظ می‌شود. چنین ترکیبی به شدت مستعد تبلور است.
از سوی دیگر، کاهش بیش از حد دمای آب برج خنک‌کننده نیز می‌تواند بحران‌ساز شود. وظیفه این آب، پایین نگه داشتن دمای ابزوربر و کمک به جذب مؤثر بخار آب توسط لیتیوم بروماید است. اما اگر دمای آن خیلی پایین بیاید، این جذب شدید می‌تواند دمای محلول غلیظ را نیز بیش از حد کاهش دهد و به شکل‌گیری کریستال کمک کند. نقطه‌ای که اغلب در معرض خطر کریستالیزاسیون قرار دارد، خروجی مبدل حرارتی است جایی که محلول لیتیوم بروماید غلیظ از ژنراتور بیرون می‌آید و بخشی از انرژی‌اش را به محلول رقیق انتقال می‌دهد. در این ناحیه، غلظت بالاست و دما در حال کاهش. اگر دما بیش از حد افت کند یا غلظت بیشتر از حد طراحی باشد، شرایط برای آغاز بلورسازی مهیاست. بنابراین، تعادل میان دما، غلظت، و جریان حرارتی، سه عامل حیاتی برای جلوگیری از کریستاله شدن چیلر جذبی هستند. طراحی هوشمند، تنظیم دقیق سیستم‌های کنترلی، و پایش لحظه‌ای دما و غلظت، تنها راهکارهای مطمئن برای پیشگیری از این بحران پنهان اما مخرب‌اند.
دلایل اصلی کریستالیزاسیون لیتیوم بروماید :
نوسانات شدید دمای آب برج خنک‌کننده
از جمله مهم‌ترین عوامل دخیل در بروز پدیده کریستاله شدن لیتیوم بروماید، ناپایداری و افت شدید دمای آب در برج خنک‌کننده است. در شرایطی که دمای این آب به‌طور ناگهانی کاهش یابد، حتی اگر غلظت لیتیوم بروماید در محدوده‌ی مجاز و کنترل‌شده باشد، احتمال تشکیل بلورهای نمکی و مسدود شدن مدارهای حرکتی محلول در چیلر به شکل جدی افزایش می‌یابد. برج خنک‌کننده نقش حساسی در تنظیم تعادل حرارتی چیلر دارد. آب سرد برگشتی از برج، مسئول خنک‌کردن محلول در ابزوربر است؛ اما اگر دمای آن بیش از حد پایین بیاید، گرمای محلول لیتیوم بروماید به شدت کاهش می‌یابد. در چنین حالتی، ساختار فیزیکی محلول تغییر کرده و شرایط برای تبلور ناگهانی فراهم می‌شود. به بیان ساده‌تر، ثبات دمای آب برج خنک‌کننده همچون خط دفاعی نخست در برابر کریستالیزاسیون عمل می‌کند. نوسانات شدید یا کاهش کنترل‌نشده‌ی دمای این آب، می‌تواند موجب از دست رفتن پایداری محلول و ورود سیستم به وضعیت بحرانی شود.
نفوذ هوا به درون مدار چیلر جذبی؛ محرکی پنهان برای کریستاله شدن لیتیوم بروماید
یکی دیگر از عوامل مهم و درعین‌حال کمتر دیده‌شده در فرآیند کریستاله شدن چیلرهای جذبی، نفوذ هوا به داخل مدار ابزوربر یا اواپراتور است. اساس عملکرد این چیلرها مبتنی بر حفظ شرایط خلأ نسبی در ناحیه اواپراتور است، تا آب به‌عنوان مبرد بتواند در دمای پایین به‌راحتی تبخیر شده و گرمای آب فرآیندی را جذب کند. این تبخیر کارآمد زمانی اتفاق می‌افتد که فشار در محفظه در پایین‌ترین حد ممکن باقی بماند. حال اگر هوای بیرونی به هر دلیلی به داخل چیلر راه پیدا کند، باعث افزایش فشار درون محفظه می‌شود. بالا رفتن فشار به‌طور مستقیم نقطه جوش آب را افزایش می‌دهد، بنابراین عمل تبخیر که در دمای پایین باید رخ دهد، با اختلال مواجه می‌شود. این اختلال در نهایت منجر به کاهش راندمان سرمایشی و افزایش دمای آب خروجی از سیستم خواهد شد. با افزایش دمای آب، کنترل‌گرهای سیستم به ژنراتور فرمان می‌دهند تا محلول لیتیوم بروماید را بیشتر فعال کرده و با جذب بیشتر بخار، کاهش دما را جبران کند. این فرآیند باعث افزایش غلظت لیتیوم بروماید شده و در صورت همزمانی با دمای پایین در برخی بخش‌ها، شرایط برای کریستاله شدن کاملاً مهیا می‌شود. به همین دلیل، نفوذ هوا می‌تواند به شکلی نامحسوس ولی مؤثر، سیستم را به سمت کریستالیزاسیون سوق دهد.
از کار افتادن ژنراتور در زمان عملکرد سایر اجزای چیلر؛ زمینه‌ای برای بروز کریستالیزاسیون
در ساختار چیلر جذبی، ژنراتور نقش کلیدی در تأمین حرارت لازم برای تغلیظ محلول لیتیوم بروماید ایفا می‌کند. چنانچه ژنراتور به هر دلیل از مدار خارج شود، در حالی‌که سایر بخش‌ها همچنان فعال هستند، تعادل حرارتی سیستم بر هم می‌خورد. در این شرایط، لیتیوم بروماید که می‌بایست در ژنراتور حرارت دیده و غلیظ شود، به صورت رقیق و با دمای پایین وارد چرخه می‌شود. همزمان، محلول خروجی از ابزوربر که توسط آب سرد برج خنک‌کننده خنک شده است، وارد مبدل حرارتی می‌شود. این محلول خنک، به‌جای تبادل حرارتی مناسب، دمای محلول رقیق خروجی از ژنراتور را بیش از حد کاهش می‌دهد. این افت حرارتی شدید در نقطه تبادل، محلول را به آستانه‌ی بلوری شدن نزدیک می‌کند و در صورت تداوم، کریستاله شدن لیتیوم بروماید اجتناب‌ناپذیر می‌شود. این کریستال‌ها می‌توانند به تدریج مجاری عبور در مبدل حرارتی را مسدود کنند. برای پیشگیری از بروز بحران در چنین موقعیتی، طراحی چیلرهای جذبی با یک مسیر فرعی موسوم به «خط ضد کریستال» همراه است. این مسیر، زمانی فعال می‌شود که ژنراتور مجدداً وارد مدار شده و محلول لیتیوم بروماید غلیظ و گرم تولید می‌شود. حتی اگر مسیر اصلی (مبدل) مسدود باشد، محلول داغ از طریق این مسیر اضطراری یا سرریز، از اطراف مبدل عبور کرده و گرمای خود را به محلول کریستاله‌شده انتقال می‌دهد. این روند تدریجی موجب حل شدن کریستال‌ها و بازگشت سیستم به عملکرد عادی می‌شود.
نقص عملکرد برج خنک‌کننده و تأثیر آن بر کریستالیزاسیون لیتیوم بروماید
عملکرد صحیح برج خنک‌کننده یا کولینگ‌تاور، برای پایداری چرخه سرمایش چیلر جذبی حیاتی است. این بخش وظیفه دارد دمای محلول در بخش ابزوربر را کاهش دهد تا فرایند جذب بخار آب توسط لیتیوم بروماید با بیشترین بازدهی انجام شود. حال اگر یکی از اجزای اصلی کولینگ‌تاور مانند فن‌ها از کار بیفتد، یا اختلالی در تأمین یا گردش آب به وجود آید مثلاً کاهش سطح آب در مخزن یا انسداد مسیرهای جریان تبادل حرارتی در این بخش به شدت تضعیف می‌شود.
در چنین شرایطی، محلول لیتیوم بروماید در ژنراتور بیش از حد گرم می‌شود و با از دست دادن آب، غلظتش به طور غیرعادی بالا می‌رود. این محلول فوق‌غلیظ، هنگام ورود به مبدل حرارتی با لیتیوم بروماید سرد و رقیق از ابزوربر مواجه می‌شود. نتیجه این تماس، افت شدید دمای محلول غلیظ است؛ وضعیتی که بستری مناسب برای شروع کریستالیزاسیون و مسدود شدن مسیرهای حیاتی انتقال محلول فراهم می‌کند.
برای جلوگیری از بروز چنین سناریویی، در طراحی بسیاری از چیلرهای جذبی، یک خط بای‌پس یا مسیر اضطراری تعبیه شده که بین خروجی پمپ محلول غلیظ (واقع در مسیر خروجی ژنراتور) و ورودی پمپ محلول رقیق قرار می‌گیرد. این مسیر اجازه می‌دهد بخشی از لیتیوم بروماید غلیظ بدون عبور از مبدل، مستقیماً با محلول رقیق مخلوط شده و غلظت آن به‌صورت کنترل‌شده کاهش یابد. این عمل در مواقع اضطراری می‌تواند از شکل‌گیری کریستال‌ها و انسداد مسیر جلوگیری کرده و تداوم عملکرد سیستم را تضمین کند.
قطع ناگهانی برق و تأثیر آن بر کریستالیزاسیون چیلر جذبی
یکی از شرایط بحرانی که می‌تواند منجر به اختلال جدی در عملکرد چیلر جذبی شود، قطع ناگهانی برق در حین کارکرد سیستم در وضعیت بار کامل است. در این حالت، تمام پمپ‌ها، فن‌ها، و تجهیزات کنترلی به‌یک‌باره از کار می‌افتند و گردش سیال متوقف می‌شود. در نتیجه، محلول لیتیوم بروماید که پیش از قطع برق با دمای بالا از ژنراتور خارج شده بود، دیگر قادر به ادامه حرکت در مسیر خود نبوده و در نواحی حساسی مانند مبدل حرارتی و ابزوربر تجمع می‌کند. این تجمع محلول غلیظ که همچنان از گرمای پیشین برخوردار است، به مرور زمان دمای خود را از دست داده و با ورود به نواحی خنک‌تر (به‌ویژه در مجاورت جریان آب برج خنک‌کننده) با افت دما مواجه می‌شود. چنین شرایطی یعنی ترکیب نامناسب غلظت بالا و افت شدید دما یکی از اصلی‌ترین زمینه‌ها برای آغاز فرآیند کریستاله شدن لیتیوم بروماید محسوب می‌شود. اگر در این حالت اقدامات اصلاحی به‌سرعت صورت نگیرد، مسیرهای عبور محلول مسدود شده و کل فرآیند سرمایش از کار خواهد افتاد. برای پیشگیری از این وضعیت، در برخی چیلرها سیستم‌های ایمنی نظیر UPS (منبع تغذیه بدون وقفه) یا باتری‌های پشتیبان برای حفظ گردش اضطراری محلول تا زمان برگشت برق طراحی می‌شوند. همچنین استفاده از سیستم‌های خودکار بای‌پس می‌تواند کمک کند که بخشی از محلول به‌صورت موقت از مسیرهای اصلی دور زده شود تا مانع شکل‌گیری کریستال در نقاط حساس سیستم شود.
نتیجه‌گیری
پدیده کریستاله شدن لیتیوم بروماید در چیلرهای جذبی، یکی از بزرگ‌ترین موانع در حفظ عملکرد پایدار و بهینه این سیستم‌ها محسوب می‌شود. عوامل متعددی از جمله نوسانات دمای آب برج خنک‌کننده، نفوذ هوای ناخواسته به مدار، نقص در عملکرد ژنراتور و قطع ناگهانی برق می‌توانند شرایط لازم برای تشکیل بلورهای نمکی را فراهم کنند. این بلورها با انسداد مسیرهای جریان سیال، راندمان سرمایش را کاهش داده و در نهایت باعث خرابی و توقف دستگاه می‌شوند. پیشگیری از کریستاله شدن نیازمند طراحی دقیق سیستم‌های کنترلی، پایش مستمر پارامترهای دما و غلظت، و استفاده از راهکارهای فنی مانند مسیرهای بای‌پس و منابع تغذیه اضطراری است. با اعمال این تدابیر، می‌توان طول عمر چیلرهای جذبی را افزایش داده و بهره‌وری آنها را در شرایط عملیاتی متنوع تضمین کرد. در نهایت، آگاهی فنی و مدیریت هوشمند سیستم، کلید موفقیت در مقابله با این بحران پنهان و ارتقاء عملکرد چیلرهای جذبی خواهد بود.