چیلر جذبی و استفاده از آن در نیروگاه مقیاس کوچک

چیلر دستگاهی است که جهت خنک کردن آب و یا هوا جهت پروژه های مسکونی، تجاری و صنعتی به منظور تهویه مطبوع و یا خنک کاری فرایندی استفاده میشود. به طور کلی چیلر ها را از نظر سیکل کارکرد به دو گروه تقسیم می کنند: تراکمی (vapor compression) و جذبی(sorption).

چیلرهای تراکمی جهت تراکم گاز و تداوم سیکل تبرید از کمپرسورهای رفت برگشتی، اسکرو ، اسکرال و سانتریفوژ بهره می­گیرند. در این نوع از چیلرها  موتور از طریق الکتریسیته تغذیه می­گردد هرچند موارد گاز سوز و یا توربین بخار نیز مورد استفاده قرار گرفته است.

در چیلر های جذبی دو نوع جذب حجمی (absorption)  و جذب سطحی (adsorption) وجود دارد. در جذب حجمی یک مبرد (معمولا آب) جذب مایع جاذب (معمولا لیتیوم بروماید) می­شود و در نوع جذبی سطحی، مبرد جذب یک جاذب جامد، مانند سیلیکا ژل، می­شود که نوع اول ارزان­تر و مرسوم­تر است. قوای محرکه سیکل جذبی انرژی حرارتی است که از احتراق مستقیم سوخت و یا غیر مستقیم از آب گرم و بخار به دست می­آید.  در نیروگاه های مقیاس کوچک یا نیروگاه های تولید همزمان برق و حرارت(CHP) که معمولا از دیزل ژنراتور رفت و برگشتی استفاده می­شود می­توان مستقیم یا غیر مستقیم از دود اگزوز ژنراتور به عنوان محرک چیلر جذبی استفاده کرد. در جدول ۱ خلاصه ای از ترکیب چیلر جذبی به همراه CHP ارایه شده است.

کاربردها

در چیلرهای جذبی گزینه­های متعددی برای انتخاب مبرد و جاذب وجود دارد. برای کاربری­هایی که نیاز دماهای بالای ۴۰ درجه فارنهایت دارند معمولا از آب به عنوان مبرد و از لیتیوم بروماید به عنوان جاذب استفاده می­شود. برای کاربری­های با دماهای پایین تر از ۴۰ درجه فارنهایت از آب به عنوان جاذب و از آمونیاک به عنوان مبرد استفاده می­شود. استفاده از چیلرهای جذبی در پروژه­های با ظرفیت سرمایشی بالا و یا پروژه هایی که نیاز به بار سرمایشی ثابتی در طول سال دارند بسیار مقرون به صرفه است. کاربردهای با ظرفیت های بالا به عنوان مثال مراکز خرید، بیمارستان­ها، هتل­ها، ساختمان­های اداری بزرگ و خوابگاه­ها می باشند. کاربری­هایی که در طول سال بار سرمایشی ثابتی دارند مانند سردخانه­ها، آب سرد فرایند­های صنعتی شیمیایی، غذایی و … دیتا سنترها و سرمایش شهرک­ها از جمله فضاهایی هستند که استفاده از چیلر جذبی توجیه فنی و اقتصادی دارد.

شرح فرایند چیلر جذبی

سیکل چیلر جذبی مشابه چیلر تراکمی بر پایه تغییر فاز مبرد و استفاده از گرمای نهان تبخیر جهت ایجاد سرمایش است، تنها در انرژی ورودی الکتریسیته و کمپرسور مکانیکی جای خود را به تراکم حرارتی(Thermal Compressor) شامل ابزوربر، ژنراتور و پمپ داده است(شکل ۱). درست مانند چیلر تراکمی، مبرد که به صورت گاز فشار پایین-دما پایین است از اواپراتور طی فرایند تراکم حرارتی به صورت گاز فشار بالا-دما بالا وارد کندانسور  می­شود. در واقع بجای تراکم مکانیکی توسط کمپرسور با مصرف بالای برق، گاز مبرد در یک جاذب طی یک فرایند شیمایی در ابزربر حل شده و به صورت مایع رقیق (مبرد-جاذب) در آمده و به آسانی توسط یک پمپ با مصرف برق به مراتب کمتر به ژنراتور پمپاژ می­شود. در ژنراتور ، به محلول جاذب حرارت داده شده و مبرد به صورت بخار فشار بالا از جاذب جدا شده و به کندانسور رفته و در آنجا به مایع فشار بالا تبدیل شده و فرایند تکرار می­گردد. جادب تغلیظ شده در ژنراتور نیز به ابزوربر بر میگردد. فرایند شیمیایی در ابزوربر گرمازا بوده و این حرارت باید توسط آب برج خنک کن دفع گردد.

سیکل چیلر جذبی نشان داده شده در شکل ۱ برای هر دو حالت لیتیوم بروماید/ آب و آب/ آمونیاک (جاذب و مبرد) مشابه است و تنها اختلاف این دو سیستم در دمای مبرد سرد خروجی است. عکس شکل ۲ یک سیستم CHP که با سیستم چیلر جذبی امونیاک/آب ترکیب شده است را نشان می­دهد. ظرفیت دیزل ژنراتور  ۸۳۰ کیلووات بوده و چیلر جذبی برودتی برابر ۱۶۰ تن تبرید با دمای مبرد ۲۵°F تولید میکند و مبرد با دبی ۱۹۰۰gpm داخل اواپراتورهای سردخانه در چرخش است.

مشخصه های عملکردی

راندمان چیلر جذبی با پارامتر ضریب عملکرد(COP) نشان داده می­شود که به صورت نسبت انرژی حرارتی خروجی به حرارت ورودی تعریف می­گردد. این پارامتر بدون بعد بوده و شامل مصارف پمپ و فن برج خنک کن و سایر تجهیزات جانبی نمی­شود. معمولا ضریب عملکرد چیلرهای جذبی تک اثره کمتر از یک و دو اثره بالاتر از یک می­باشد. به دلیل اینکه نوع و ظرفیت چیلر جذبی تابعی از مقدار و نوع انرژی ورودی به آن است، بنابراین مطابقت سیستم CHP  با چیلر جذبی بسیار مهم است. ضریب عملکرد چیلر دو اثره بالاتر از تک اثره است ولی دمای ژنراتور چیلرهای دو اثره حدود ۱۵۰°F  بالاتر از نوع تک اثره است و ممکن است بر حسب شرایط پروژه، چیلر تک اثره اقتصادی­تر باشد.

جدول شماره ۲ مشخصه­های عملکردی چیلر تک اثره و دو اثره چیلر جذبی لیتیوم بروماید/ آب را نشان می­دهد. ظرفیت سرمایش انتخاب شده بین ۵۰ تا ۱۳۲۰ تن تبرید است و از شماره یک تا شماره ۳ تک اثره و از شماره ۴ تا ۷ دو اثره می­باشد. انرژی مولد ورودی چیلرهای ۱ تا ۳ آب گرم و بخار فشار پایین است و شماره های ۴ تا ۷ بخار فشار بالا و دود اگزوز دیزل ژنراتور می باشد. دمای آب سرد رفت و برگشت سیستم ها نیز ۴۴-۵۴°F است. ضریب عملکرد چیلرهای تک اثره بین ۰٫۷ تا ۰٫۷۹ بدست آمده و برای چیلرهای دو اثره بین ۱٫۳۵تا ۱٫۴۲ بدست آمده است.

با اینکه مقدار ضریب عملکرد چیلر جذبی کمتر از چیلر تراکمی است اما نمی­توان نتیجه گرفت که هزینه های جاری ،شامل انرژی مصرفی، چیلر جذبی بیشتر از تراکمی است.

جدول ۲- خصوصیات عملکرد چیلر جذبی

هزینه های اولیه و جاری

جدول ۳ برآوردی از سرمایه و هزینه های نگهداری برای همان هفت سیستم شرح داده شده در جدول ۲ است. محدوده هزینه های نصب شده از ۱۸۰۰ دلار تا ۶۰۰۰ دلار به ازای هر تن برای سه سیستم تک مرحله­ای است، و از ۱۶۰۰ تا ۳۳۰۰ دلار در هر تن برای چهار چیلر دو مرحله ای می­باشد. هزینه سرمایه اولیه با افزایش ظرفیت تبرید، کاهش می­یابد.. به عنوان مثال ، هزینه نصب شده یک چیلر ۱۳۲۰ تنی تک اثره ۱۸۰۰ دلار در هر تن و برای همان ظرفیت مدل دو اثره ۱۶۰۰ دلار در هر تن است. هزینه های بهره برداری و نگهداری (O&M) از ۰٫۱ تا ۰٫۶ سنت در هر تن ساعت (¢ / تن در ساعت) در سال برای مدل­های تک اثره و ۰٫۱ تا ۰٫۳ ¢ / تن در ساعت برای مدل­های دو اثره است. هزینه های O&M شامل هزینه های انرژی نبوده، اما شامل تمام الزامات نگهداری از جمله تصفیه دوره­ای گازهای غیرقابل چگالش، نظارت بر برج خنک کننده و کیفیت آب سرد می­باشد(البته تمام هزینه های ذکر شده در این مقاله مربوط به ایالات متحده می باشد).

جدول ۳- سرمایه اولیه و هزینه های تعمیر و نگهداری

آلایندگی

میزان انتشار گازهای گلخانه­ای چیلرهای جذبی به نوع انرژی ورودی آن بستگی دارد. اگر چیلر با سیستم CHP ادغام شده و توسط حرارت اتلافی آن تغذیه شود، هیچ انتشاری از چیلر جذبی وجود ندارد. اگر چیلر جذبی از نوع شعله مستقیم باشد میزان انتشار بستگی به نوع سوخت و  تکنولوژی احتراق آن دارد (البته انتشار گازهای گلخانه ای در چیلرهای جذبی کمتر از چیلرهای تراکمی است که در  مقاله ای دیگر به مقایسه آنها پرداخته شده است) گاز طبیعی به عنوان سوخت ارزان و پاک مرسوم ترین سوخت جهت کارکرد چیلر جذبی است. تکنولوژی مشعل­های ناکس پایین و سایر تکنولوژی­های کنترل احتراق مانند کنترل دمای دود از جمله راهکارهایی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه­ای ای در عملکرد چیلرهای جذبی به شمار می آیند.