بخش دوم :
جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، بخش بعدی و قبلی را مطالعه کنید.
مقدمه
چیلرها به عنوان یکی از حیاتی‌ترین تجهیزات در سیستم‌های سرمایشی و تهویه مطبوع شناخته می‌شوند و نقش آن‌ها در ایجاد آسایش حرارتی و تأمین سرمایش صنعتی غیرقابل انکار است. این دستگاه‌ها با خنک‌سازی آب یا سیالات مشابه، امکان انتقال گرما از محیط یا تجهیزات حساس را فراهم می‌آورند و در نتیجه، شرایطی پایدار و کنترل‌شده برای فعالیت‌های انسانی و صنعتی ایجاد می‌کنند. در دنیای مدرن، جایی که بهره‌وری انرژی و کاهش مصرف منابع اهمیت فزاینده‌ای یافته است، چیلرها نه تنها به عنوان ابزاری برای خنک‌سازی، بلکه به عنوان عنصر کلیدی در بهینه‌سازی مصرف انرژی و کاهش هزینه‌های عملیاتی مطرح هستند. چیلرها در دو دسته اصلی تراکمی و جذبی طراحی می‌شوند که هر کدام از آن‌ها با مکانیزم متفاوتی عمل می‌کنند. چیلرهای تراکمی با استفاده از کمپرسور و سیکل تبرید مکانیکی، انرژی را به صورت الکتریکی یا مکانیکی دریافت کرده و با فشرده‌سازی و تبخیر مبرد، سرمایش تولید می‌کنند. در مقابل، چیلرهای جذبی با بهره‌گیری از منابع حرارتی مانند بخار، آب داغ یا شعله مستقیم، امکان ایجاد سرمایش بدون مصرف انرژی مکانیکی را فراهم می‌آورند. سیستم‌های جذبی، به‌ویژه انواع دو‌اثره، با طراحی پیشرفته خود، امکان افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش هزینه‌های عملیاتی در پروژه‌های بزرگ و صنعتی را فراهم می‌کنند. فرایند کاری چیلرهای جذبی به گونه‌ای طراحی شده است که چرخه تبرید، شامل اواپراتور، ابزوربر، ژنراتور و کندانسور، به صورت پیوسته و هماهنگ انجام گیرد و دمای آب سرد مورد نیاز سیستم سرمایش به طور دقیق و پایدار تأمین شود. محلول لیتیوم بروماید، به عنوان جاذب بخار آب، نقش اساسی در حفظ فشار و دمای مناسب سیستم ایفا می‌کند و با گردش بین ابزوربر و ژنراتور، سیکل سرمایش به طور مداوم ادامه می‌یابد. این فرآیند پیچیده، ضمن تأمین سرمایش مطلوب، با استفاده از مبدل‌های حرارتی داخلی، بازده انرژی را به حداکثر رسانده و راندمان کلی سیستم را بهبود می‌بخشد. با توجه به کاربرد گسترده چیلرها در صنایع مختلف، از ساختمان‌های مسکونی و تجاری گرفته تا کارخانه‌ها و تجهیزات حساس صنعتی، شناخت کامل ساختار، عملکرد و انواع مختلف این دستگاه‌ها برای مهندسین، مدیران پروژه و متخصصان انرژی اهمیت فراوان دارد. بررسی چیلرهای جذبی و تراکمی و تفاوت‌های آن‌ها در روش عملکرد، راندمان و قابلیت نصب، راهنمایی جامع برای انتخاب بهینه سیستم سرمایشی مطابق با شرایط محیطی و نیازهای عملیاتی ارائه می‌دهد.
تعریف چیلر (Chiller)
چیلر یکی از تجهیزات اصلی در سیستم‌های سرمایشی است که وظیفه خنک‌سازی آب برای استفاده در بخش‌های مختلف تهویه مطبوع یا فرآیندهای صنعتی را بر عهده دارد. آبی که توسط چیلر خنک می‌شود، از طریق لوله‌کشی‌های رفت و برگشت به تجهیزات سرمایشی مانند فن‌کویل‌ها و هواسازها منتقل می‌گردد تا با جذب گرمای محیط، دمای فضا کاهش یابد. پس از جذب گرما، آب مجدداً به چیلر بازمی‌گردد تا دوباره خنک شود و این چرخه سرمایش به صورت پیوسته ادامه پیدا می‌کند.
کاربردهای چیلر
چیلرها به طور کلی در دو حوزه اصلی مورد استفاده قرار می‌گیرند :
1. تهویه مطبوع ساختمانی (Comfort Cooling) : برای ایجاد آسایش حرارتی در فضاهای مسکونی، اداری و تجاری.
2. تهویه و سرمایش صنعتی (Process Cooling) : برای خنک‌سازی ماشین‌آلات، قالب‌ها و تجهیزات کارخانه‌ها در صنایع مختلف.
هر فرآیندی که نیاز به کاهش دمای آب یا سیال در گردش داشته باشد، می‌تواند از چیلر بهره‌مند شود. به همین دلیل، این تجهیزات در صنایعی مانند پلاستیک، داروسازی، فولاد، صنایع غذایی و پتروشیمی کاربرد گسترده‌ای دارند.
جایگاه فنی چیلر
از نظر تقسیم‌بندی فنی، چیلرها بخشی از خانواده تجهیزات تبرید محسوب می‌شوند و صنعت مرتبط با آن یکی از پیشرفته‌ترین و پرکاربردترین شاخه‌های مهندسی مکانیک و تهویه مطبوع به شمار می‌آید.
انواع چیلر
چیلرها به‌طور کلی به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند: چیلرهای تراکمی و چیلرهای جذبی. هر دو نوع چیلر وظیفه ایجاد سرمایش در سیستم‌های تهویه مطبوع یا صنعتی را بر عهده دارند، اما روش عملکرد و سازوکار آن‌ها با یکدیگر متفاوت است. چیلرهای تراکمی با استفاده از کمپرسور و سیکل تبرید مکانیکی کار می‌کنند، در حالی که چیلرهای جذبی از یک منبع حرارتی برای تولید سرمایش بهره می‌برند و نیازی به کمپرسور مکانیکی ندارند. این تفاوت‌ها سبب می‌شود هر نوع چیلر در شرایط و کاربردهای خاص خود مزایا و محدودیت‌های متفاوتی داشته باشد.
چیلر جذبی (Absorption Chiller)
چیلر جذبی یکی از انواع چیلرها است که در آن آب به‌عنوان ماده مبرد عمل می‌کند. در این سیستم، آب تحت فشار پایین و دمای کم تبخیر شده و گرمای تبخیر خود را از سیال ثانویه (آب در گردش سیستم سرمایشی) می‌گیرد. بخار حاصل از تبخیر سپس توسط ماده جاذب جذب می‌شود تا چرخه سرمایش ادامه یابد.
چیلرهای جذبی در انواع مختلف تک اثره، دو اثره و شعله مستقیم طراحی می‌شوند و دارای چهار بخش اصلی هستند:
1. اواپراتور (Evaporator) : محفظه تبخیر که آب مقطر در فشار پایین (حدود ۰.۴ اتمسفر) تبخیر می‌شود و گرمای لازم از آب سیستم سرمایشی جذب می‌گردد.
2. ابزوربر (Absorber) : محفظه جذب که بخار آب حاصل از اواپراتور توسط محلول لیتیوم بروماید جذب شده و محلول رقیق می‌شود.
3. ژنراتور (Generator) : بخش تغلیظ‌کننده محلول لیتیوم بروماید. محلول رقیق از ابزوربر توسط پمپ به ژنراتور فرستاده می‌شود تا تحت حرارت (بخار، آب داغ یا آب گرم) تغلیظ شده و قابلیت جذب مجدد پیدا کند.
4. کندانسور (Condenser) : محفظه‌ای که بخار آب حاصل از ژنراتور در آن تقطیر شده و دوباره به اواپراتور بازمی‌گردد.
انواع چیلرهای جذبی :
1. تک اثره : چرخه سرمایش و گرمایش به صورت یک مرحله‌ای انجام می‌شود.
2. دو اثره (دو مرحله‌ای) : تغلیظ محلول در دو ژنراتور انجام می‌شود:
o ژنراتور دما بالا : تحت حرارت بخار دیگ، بخش اصلی تغلیظ را انجام می‌دهد.
o ژنراتور دما پایین : بخار حاصل از ژنراتور اول، مرحله دوم تغلیظ را انجام می‌دهد.
3. شعله مستقیم : دارای مشعل گازسوز یا گازوییل‌سوز است و قادر است بدون واسطه و مستقیم، محلول را تغلیظ کند. این نوع چیلر هم می‌تواند به عنوان مولد گرما نیز عمل کند و به همین دلیل دارای دو سیکل گرمایشی و سرمایشی است.
انواع چیلرهای جذبی
چیلرهای جذبی بر پایه‌ی نحوه‌ی احیای ماده جاذب در ژنراتور و نوع منبع حرارتی مورد استفاده دسته‌بندی می‌شوند. در میان انواع مختلف، چیلرهای جذبی لیتیوم بروماید بیشترین کاربرد را در سیستم‌های تهویه مطبوع دارند. این چیلرها بسته به شیوه‌ی غلیظ‌سازی محلول جاذب، به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند: چیلرهای جذبی تک‌اثره و چیلرهای جذبی دو‌اثره.
چیلر جذبی تک‌اثره
چیلر جذبی تک‌اثره از اجزایی مانند کندانسور، ژنراتور، ابزوربر، اواپراتور و پمپ‌ها تشکیل شده است. در این نوع سیستم، انرژی حرارتی لازم برای فرآیند تبخیر از طریق بخار کم‌فشار یا آب گرم تأمین می‌شود. هرچند بازدهی این چیلرها نسبت به مدل‌های دو‌اثره پایین‌تر است، اما به‌دلیل طراحی ساده، هزینه‌ی ساخت کمتر، و نگهداری آسان‌تر، همچنان یکی از گزینه‌های اقتصادی و قابل اعتماد در پروژه‌های متوسط به شمار می‌رود. از سوی دیگر، استفاده از بخار یا آب گرم با فشار پایین سبب می‌شود دستگاه تنش مکانیکی و حرارتی کمتری را تجربه کند. همچنین از آنجا که لیتیوم بروماید در دماهای بالا خاصیت خورندگی شدیدی پیدا می‌کند، کارکرد در دماهای پایین‌تر باعث کاهش خوردگی و افزایش طول عمر مفید سیستم می‌شود.
چیلر جذبی دو‌اثره
در چیلر جذبی دو‌اثره، همان اجزای اصلی مدل تک‌اثره وجود دارد، اما با افزودن یک ژنراتور ثانویه و یک مبدل حرارتی اضافی، عملکرد سیستم به‌مراتب بهینه‌تر می‌شود. در این مدل، عملیات تغلیظ محلول جاذب در دو مرحله انجام می‌گیرد. در مرحله نخست، بخار مبرد از محلول لیتیوم بروماید در ژنراتور دما بالا جدا شده و ضمن انتقال گرما، تبخیر می‌شود. سپس همین بخار به‌عنوان منبع حرارتی ثانویه در ژنراتور دما پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد. این فرایند باعث افزایش نرخ تبخیر، بهره‌وری بیشتر انرژی و افزایش ضریب عملکرد (COP) نسبت به چیلرهای تک‌اثره می‌شود. چیلرهای دو‌اثره معمولاً زمانی انتخاب می‌شوند که منبع حرارتی با دمای بالاتر (نظیر بخار فشار متوسط یا گاز داغ) در دسترس باشد و هدف، افزایش راندمان کلی سیستم باشد. هرچند هزینه‌ی اولیه‌ی آن‌ها نسبت به مدل‌های تک‌اثره بالاتر است، اما در پروژه‌های بزرگ صنعتی یا ساختمان‌های با بار سرمایی بالا، این هزینه با صرفه‌جویی در انرژی جبران می‌شود.
سیکل عملکرد چیلر جذبی
فرایند سرمایش در چیلر جذبی از نظر اصول ترمودینامیکی، مشابه با چیلرهای تراکمی است؛ زیرا در هر دو سیستم، مبرد با جذب گرمای محیط و تبخیر شدن، عمل خنک‌سازی را انجام می‌دهد. تفاوت اصلی در این است که در چیلر جذبی، انرژی مورد نیاز برای گردش سیکل از منبع حرارتی (مانند بخار، آب داغ یا شعله گاز) تأمین می‌شود، نه از انرژی مکانیکی کمپرسور. چیلر جذبی نیز همانند چیلر تراکمی شامل اجزای اصلی نظیر اواپراتور (تبخیرکننده)، کندانسور (تقطیرکننده) و شیر انبساط است. با این حال، در سیستم جذبی دو ماده کلیدی وجود دارد: یکی مبرد و دیگری جاذب. این دو ماده با هم واکنش داده و باعث برقراری چرخه‌ی سرمایش می‌شوند. در اکثر چیلرهای جذبی، آب مقطر به‌عنوان مبرد و محلول لیتیوم بروماید (LiBr) به‌عنوان جاذب مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای دستیابی به دمای آب سرد حدود ۷ درجه سانتی‌گراد، لازم است مبرد در فشار بسیار پایین و در دمایی کمتر از ۷ درجه به جوش آید. در شرایط عادی، این اتفاق تنها زمانی ممکن است که فشار داخل اواپراتور کاهش یابد. بر اساس قانون تبخیر، هرچه فشار کمتر شود، دمای جوش آب نیز پایین‌تر می‌آید؛ ازاین‌رو، محفظه‌ی چیلر باید تا حدود ۰٫۰۴ بار وکیوم یا به عبارت دیگر، در حالت خلأ نسبی قرار گیرد. در ساختار چیلر جذبی، بخشی که آب مقطر در آن تبخیر می‌شود را اواپراتور می‌نامند و ناحیه‌ای که محلول لیتیوم بروماید در آن وجود دارد ابزوربر (جذب‌کننده) نام دارد. در اواپراتور، مبرد با عبور از روی کویل‌های حاوی آب در گردش ساختمان، گرمای آن را جذب کرده و تبخیر می‌شود. بخارات حاصل از این فرایند باید از سیستم خارج شوند تا فشار خلأ ثابت بماند. اینجاست که لیتیوم بروماید وارد عمل می‌شود. لیتیوم بروماید نوعی نمک با قابلیت بالای جذب بخار آب است. در قسمت ابزوربر، محلولی با غلظت حدود ۵۴ درصد از این ماده، بخار مبرد را به خود جذب کرده و به این ترتیب، فشار در محدوده‌ی مطلوب حفظ می‌شود. سپس محلول رقیق‌شده‌ی حاصل، به ژنراتور منتقل می‌شود تا در اثر حرارت، مجدداً غلیظ شود و سیکل جذب و تبخیر به‌صورت پیوسته ادامه یابد.
فرآیند بازیابی محلول و تکمیل سیکل در چیلر جذبی
در ناحیه‌ی ابزوربر، محلول لیتیوم بروماید که در ابتدا دارای غلظتی حدود ۶۴ درصد است، با جذب بخارهای آب حاصل از اواپراتور به‌تدریج رقیق‌تر می‌شود و غلظت آن به حدود ۵۹٫۵ درصد کاهش می‌یابد. این کاهش غلظت موجب افت توان جذب بخار آب می‌شود و در نتیجه عملکرد سیستم در ادامه‌ی سیکل سرمایش مختل می‌گردد. برای جبران این افت، چیلر جذبی مجهز به پمپ و ژنراتور است. پمپ، محلول رقیق‌شده‌ی لیتیوم بروماید را از ابزوربر به سمت ژنراتور هدایت می‌کند. در ژنراتور، انرژی حرارتی تأمین‌شده (معمولاً از طریق بخار داغ، آب گرم یا شعله‌ی مستقیم گاز) باعث جدا شدن بخار مبرد از محلول می‌شود. در اثر این فرایند، محلول مجدداً تغلیظ شده و به غلظت اولیه‌ی خود بازمی‌گردد. محلول غلیظ‌شده سپس از طریق مسیر برگشت، دوباره وارد ابزوربر می‌شود تا فرایند جذب بخار آب را از سر بگیرد. بخارات آبی که از محلول جدا شده‌اند، به سمت کندانسور حرکت می‌کنند. در کندانسور، این بخارات با تبادل حرارت با محیط خنک‌کننده، تقطیر شده و به حالت مایع بازمی‌گردند. مبرد مایع‌شده سپس به اواپراتور بازمی‌گردد تا با تبخیر مجدد، گرمای آب در گردش سیستم سرمایش ساختمان را جذب کند. بدین ترتیب، یک مدار بسته‌ی تبخیر و تقطیر در سیستم برقرار می‌شود. برای افزایش راندمان حرارتی و صرفه‌جویی در مصرف انرژی، در میان ژنراتور و ابزوربر یک مبدل حرارتی (Heat Exchanger) تعبیه می‌شود. این مبدل از دو مسیر جریان متقابل تشکیل شده است :
• محلول رقیق که از ابزوربر به ژنراتور می‌رود، در مسیر گرم‌شونده قرار دارد.
• محلول غلیظ که از ژنراتور بازمی‌گردد، در مسیر خنک‌شونده حرکت می‌کند.
به این ترتیب، انرژی حرارتی از محلول گرم‌تر به محلول سردتر منتقل می‌شود و پیش‌گرمایش و پیش‌سردسازی به‌صورت طبیعی انجام می‌گیرد. این فرایند، علاوه بر کاهش مصرف حرارت در ژنراتور، باعث پایداری بیشتر دما و بهبود راندمان کلی چیلر جذبی می‌شود.
نتیجه‌گیری
در نهایت، چیلرها به عنوان ستون فقرات سیستم‌های سرمایشی و تهویه مطبوع، اهمیت حیاتی در تأمین آسایش حرارتی و عملکرد بهینه فرآیندهای صنعتی دارند. عملکرد موفق و پایدار این دستگاه‌ها مستلزم درک دقیق از اصول ترمودینامیکی، سیکل تبرید، انتخاب صحیح نوع چیلر و مدیریت بهینه انرژی است. چیلرهای تراکمی با قابلیت کنترل دقیق دما و طراحی مناسب برای ساختمان‌ها و صنایع با بار سرمایشی متوسط تا زیاد، گزینه‌ای مطمئن و متداول محسوب می‌شوند. از سوی دیگر، چیلرهای جذبی با استفاده از انرژی حرارتی و قابلیت اجرای سیستم‌های چند‌اثره، امکان صرفه‌جویی در مصرف انرژی و افزایش بهره‌وری در پروژه‌های بزرگ و صنعتی را فراهم می‌آورند. شناخت جزئیات عملکرد اجزای اصلی چیلر جذبی از اواپراتور و ابزوربر گرفته تا ژنراتور و کندانسور و نحوه تعامل این اجزا با محلول جاذب، امکان طراحی و بهره‌برداری بهینه از سیستم را فراهم می‌کند. همچنین استفاده از مبدل‌های حرارتی داخلی و مدیریت دقیق گردش محلول، نه تنها راندمان سیستم را بهبود می‌بخشد، بلکه طول عمر تجهیزات و پایداری عملکرد را تضمین می‌کند. با توجه به اهمیت اقتصادی، محیط‌زیستی و عملیاتی چیلرها، انتخاب نوع مناسب، طراحی صحیح سیستم و نگهداری اصولی، از عوامل کلیدی در موفقیت پروژه‌های تهویه مطبوع و سرمایش صنعتی به شمار می‌روند. به این ترتیب، چیلرها نه تنها به عنوان یک ابزار سرمایش، بلکه به عنوان عنصری استراتژیک برای بهینه‌سازی انرژی، کاهش هزینه‌های عملیاتی و تضمین عملکرد ایمن تجهیزات صنعتی عمل می‌کنند. این امر نشان می‌دهد که شناخت جامع و به‌روز از تکنولوژی‌های چیلر، بخش ضروری دانش مهندسی مکانیک و تهویه مطبوع است و می‌تواند تأثیر مستقیم بر کیفیت زندگی، بهره‌وری صنعتی و توسعه پایدار داشته باشد.