آموزش صفر تا صد چیلر |‌ راهنمای کامل نحوه کار، انواع و مزایا

چیلر جذبی (Absorption Chiller) یک سیستم سرمایش مرکزی و بازتولید حرارتی است که بر خلاف چیلرهای متداول، به‌جای کمپرسور مکانیکی و نیروی الکتریسیته، از یک منبع انرژی حرارتی (مانند شعله مستقیم گاز، بخار داغ، آب گرم یا حرارت بازیافتی صنایع) همراه با یک جفت سیال «مبرد و جاذب» برای تولید آب سرد بهره می‌گیرد. در این چرخه، فشار سیستم نه از طریق فشرده‌سازی مکانیکی گاز، بلکه به‌کمک پمپ محلول و پدیده‌های فیزیکوشیمیایی جذب و دفع مایعات کنترل می‌شود. مایع مبرد که در متداول‌ترین سیستم‌های تهویه مطبوع تجاری آب مقطر خالص است، در محیطی با خلاء بسیار بالا (نزدیک به خلاء مطلق) در دمای بسیار پایین (حدود ۴ تا ۷ درجه سلسیوس) به جوش آمده و گرمای نهان تبخیر را از جریان آب ورودی ساختمان جذب می‌کند؛ سپس بخار تولیدشده درون محلول جاذب (اغلب لیتیوم بروماید) حل می‌شود تا سیکل سرمایش به‌صورت پیوسته ادامه یابد.

چیلر جذبی چگونه کار می‌کند؟ کالبدشکافی سیکل ترمودینامیکی بدون کمپرسور

نحوه تولید برودت در چیلر جذبی بر یک اصل بنیادین فیزیک استوار است: دمای جوش آب رابطه مستقیمی با فشار محیط دارد. در فشار یک اتمسفر (سطح دریا)، آب در دمای ۱۰۰ درجه سلسیوس می‌جوشد، اما اگر فشار به حدود ۰٫۰۰۸ اتمسفر (۶ میلی‌متر جیوه یا ۰٫۸۵ کیلوپاسکال) کاهش یابد، آب در دمای ۴ تا ۵ درجه سلسیوس تبخیر می‌شود. چیلر جذبی از این پدیده برای سرمایش آب در گردش فن‌کویل‌ها و هواسازها استفاده می‌کند.

چرخه عملکرد را می‌توان در چهار مرحله به‌هم‌پیوسته تشریح کرد. ابتدا در اواپراتور، آب مبرد روی لوله‌های حامل آب در گردش ساختمان اسپری می‌شود. به‌دلیل خلاء حاکم بر این بخش، مبرد در دمای بسیار پایین تبخیر شده و با جذب گرمای لوله‌ها، آب فن‌کویل‌ها را تا حدود ۷ درجه سلسیوس خنک می‌کند. در مرحله دوم، برای جلوگیری از افزایش فشار ناشی از تشکیل بخار، بخار آب بلافاصله وارد محفظه ابزوربر (جذب‌کننده) می‌شود؛ در آنجا محلول غلیظ لیتیوم بروماید (نمکی با میل ترکیبی بسیار شدید به رطوبت) بخار آب را می‌بلعد. گرمای ناشی از این واکنش انحلالی به کمک آب برج خنک‌کننده دفع می‌شود تا محلول رقیق‌شده پایداری خود را حفظ کند.

در مرحله سوم، پمپ هرمتیک چیلر، این محلول رقیق را پس از عبور از یک مبدل حرارتی بازیاب به محفظه ژنراتور (ژنراتور دما بالا یا ریبویلر) هدایت می‌کند. در ژنراتور، انرژی حرارتی خارجی (مشعل گازسوز یا بخار ورودی) به محلول تزریق می‌شود تا آب جذب‌شده مجدداً بجوشد و از محلول جدا شود. محلول غلیظ بازسازی‌شده دوباره به ابزوربر برمی‌گردد و بخار مبرد خالص به سمت کندانسور هدایت می‌شود. در نهایت، بخار مبرد در کندانسور توسط آب برج خنک‌کننده تقطیر شده، از طریق یک مسیر اختناق افت فشار پیدا می‌کند و دوباره به اواپراتور بازمی‌گردد تا سیکل تکرار شود.

همانطور که در energy.gov (ترجمه) گفته شده: «چیلرهای جذبی برخلاف چیلرهای مکانیکی که از کمپرسور الکتریکی بهره می‌برند، از یک منبع حرارتی مستقیم یا اتلافی برای به گردش درآوردن چرخه سرمایش استفاده می‌کنند و برای مناطقی با هزینه برق بالا یا در دسترس بودن حرارت مازاد گزینه‌ای اقتصادی هستند.» (https://www.energy.gov/femp/energy-efficient-absorption-chillers)

اجزای اصلی چیلر جذبی و وظیفه هر یک در چرخه سرمایش

هر دستگاه چیلر جذبی فارغ از تنوع برند و آرایش سازه‌ای، متشکل از بخش‌های اصلی زیر است که هماهنگی پیوسته آن‌ها تضمین‌کننده عملکرد پایدار سامانه خواهد بود:

• اواپراتور (Evaporator): مبدل حرارتی پوسته و لوله که در شرایط خلاء عمیق کار می‌کند؛ آب مقطر روی لوله‌های مسی حامل آب در گردش ساختمان پاشیده شده و با جذب گرما تبخیر می‌شود.
• ابزوربر یا جذب‌کننده (Absorber): بخشی که در مجاورت اواپراتور قرار داشته و محلول لیتیوم بروماید با پاشش بر روی کویل‌های آب برج خنک‌کننده، بخار مبرد را با واکنش گرمازا به دام می‌اندازد.
• ژنراتور یا دیگ جوشاننده (Generator): محفظه‌ای حرارتی که محلول رقیق را به نقطه جوش رسانده، مبرد را تبخیر و محلول را تغلیظ می‌کند؛ این بخش بر اساس ساختار می‌تواند شعله مستقیم یا با مبدل بخار/آب داغ باشد.
• کندانسور (Condenser): مبدلی که بخار آب داغ حاصل از ژنراتور را تقطیر کرده و حرارت نهان آن را به مدار برج خنک‌کننده منتقل می‌سازد.
• مبدل حرارتی محلول (Heat Exchanger): تجهیز بهینه‌سازی انرژی که بین ژنراتور و ابزوربر قرار دارد؛ محلول داغ خروجی از ژنراتور، محلول سرد ورودی به ژنراتور را پیش‌گرم می‌کند تا بازده حرارتی چرخه افزایش یابد.
• سامانه تخلیه گازهای غیرقابل‌تقطیر (Purge System): مجموعه‌ای از مخزن و پمپ وکیوم کمکی برای جمع‌آوری هیدروژن و سایر گازهایی که در اثر فعل‌وانفعالات شیمیایی داخلی ایجاد شده و مانع از افت خلاء می‌شوند.

انواع چیلر جذبی بر اساس مدار ترمودینامیکی و منبع انرژی

چیلرهای جذبی بر اساس تعداد مراحل تبخیر و غلظت‌سازی محلول، به دو دسته‌بندی بنیادین «تک‌اثره» (Single-Effect) و «دواثره» (Double-Effect) تقسیم می‌شوند؛ البته مدل‌های پیشرفته سه‌اثره نیز در مراکز آزمایشگاهی و پروژه‌های خاص صنعتی پیاده‌سازی شده‌اند. در چیلر تک‌اثره، بخار آبی که در ژنراتور تولید می‌شود مستقیماً به کندانسور فرستاده شده و گرمای نهان آن به آب خنک‌کننده منتقل می‌شود. در نقطه مقابل، چیلر دواثره دارای دو ژنراتور دما بالا و دما پایین است؛ بخار پرفشار تولیدشده در ژنراتور اول، خود به‌عنوان منبع گرمایش ژنراتور دوم مورد استفاده قرار می‌گیرد که این امر اتلاف انرژی را مهار کرده و ضریب عملکرد سامانه را به‌شکل محسوسی ارتقا می‌دهد.

طبق استاندارد تجاری ASHRAE 90.1 (نسخه تدوین‌شده ۲۰۲۲ برای سامانه‌های مکانیکی ساختمان)، حداقل ضریب عملکرد مجاز در شرایط بار کامل (Full-Load COP) برای چیلرهای جذبی غیرمستقیم تک‌اثره بر پایه لیتیوم بروماید برابر با ۰٫۷۰ و برای سامانه‌های دواثره با شعله مستقیم برابر با ۱٫۰ است. این مقادیر مشروط به ورود آب به مدار خنک‌کننده با دمای استاندارد ۲۹٫۴ درجه سلسیوس و تحویل آب سرد ۷ درجه سلسیوس هستند؛ انحراف دمای آب خنک‌کننده یا افت توان حرارتی ژنراتور می‌تواند این ضریب را تا ۱۵ درصد در عملکرد فصلی تحت تأثیر قرار دهد.

چیلر جذبی در برابر چیلر تراکمی: تفاوت‌های فنی، مصرف انرژی و الزامات تأسیساتی

یکی از اساسی‌ترین تصمیمات مهندسان مشاور و طراحان تأسیسات، گزینش میان سیستم‌های جذبی و تراکمی است. اگرچه هر دو سامانه وظیفه یکسان کاهش دمای سیال عامل مدار سرمایش را بر عهده دارند، رفتار عملیاتی، ابعاد فیزیکی و تراز انرژی آن‌ها کاملاً متضاد است. چیلر تراکمی تکیه مطلق بر نیروی الکتروموتور برای دوران مبرد گازی دارد، در حالی که چیلر جذبی بخش عمده انرژی خود را از حرارت تأمین کرده و مصرف الکتریسیته آن به پمپ‌های الکتریکی کوچک درون دستگاه محدود می‌شود.

بر اساس داده‌های ارائه‌شده در هندبوک تخصصی مهندسی تبرید و تهویه مطبوع (ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment)، میزان دفع حرارت در چیلرهای جذبی آب-لیتیوم بروماید به ازای هر تن تبرید برودتی (TR) رقمی در حدود ۲۴ تا ۲۸ هزار BTU بر ساعت (معادل ۷٫۰ تا ۸٫۲ کیلووات) است؛ در شرایطی که این شاخص در چیلرهای تراکمی سانتریفیوژ و اسکرو معمولاً از ۱۲ تا ۱۵ هزار BTU بر ساعت (معادل ۳٫۵ تا ۴٫۴ کیلووات) فراتر نمی‌رود. این واقعیت فیزیکی به آن معناست که چیلر جذبی هم‌ظرفیت با چیلر تراکمی نیازمند برج خنک‌کننده‌ای با نرخ گذر آب و سطح تبادل حرارتی ۵۰ تا ۸۰ درصد بزرگ‌تر بوده و مصرف آب جبرانی برج آن در اقلیم‌های خشک افزایش می‌یابد.

با این وجود، در مناطقی که هزینه اتصال به شبکه برق پرفشار (خرید دیماند) بالا است، ظرفیت ترانسفورماتور و ژنراتور اضطراری پروژه محدود است، یا سوخت گاز طبیعی با یارانه دولتی عرضه می‌شود، چیلر جذبی بار سنگین برق مصرفی تابستان را از روی شبکه برمی‌دارد. از نظر تولید آلودگی صوتی و لرزش سازه‌ای نیز چیلرهای جذبی به دلیل فقدان کمپرسورهای دوار پرسرعت و قطعات مکانیکی ضربه‌زننده، عملکردی آرام‌تر داشته و استهلاک قطعات متحرک آن‌ها ناچیز است.

چالش‌های فنی و محدودیت‌های عملیاتی چیلرهای جذبی

به‌کارگیری چیلرهای جذبی نیازمند شناخت دقیق محدودیت‌های ترمودینامیکی و شیمیایی این تجهیزات است. بهره‌برداری غیرحرفه‌ای می‌تواند هزینه‌های تعمیراتی سنگینی بر پروژه تحمیل کند. مهم‌ترین چالش‌های فنی این تجهیزات شامل موارد زیر است:

1. ریسک کریستالیزاسیون محلول (Crystallization): نمک لیتیوم بروماید با افزایش غلظت یا کاهش شدید دما متبلور شده و لوله‌های مبدل حرارتی را مسدود می‌کند؛ این پدیده خطرناک عمدتاً هنگام خاموش شدن غیراصولی، ورود آب بیش از حد سرد از برج خنک‌کننده، یا نشتی‌های ناگهانی رخ می‌دهد.
2. حساسیت شدید به افت خلاء و نفوذ هوا: از آنجا که فشار کاری داخلی کمتر از یک صدم فشار جو است، نفوذ حتی جزئی‌ترین مقدار هوای بیرون به داخل دستگاه باعث توقف جوشش مبرد، افت سریع برودت، و آغاز واکنش خوردگی الکتروشیمیایی دیواره‌های فولادی می‌شود.
3. خوردگی داخلی و نیاز به مواد کندکننده (Inhibitors): تماس نمک لیتیوم بروماید در دماهای بالای ژنراتور با فولاد باعث تشکیل گاز هیدروژن و تخریب متالورژیکی بدنه می‌گردد؛ بنابراین استفاده مستمر از مهارکننده‌های شیمیایی مانند مولیبدات لیتیوم یا نیترات لیتیم ضروری است.
4. تلفات تبخیری آب و ابعاد تجهیزات: برج‌های خنک‌کننده بزرگ‌تر منجر به اشغال فضای وسیع‌تر روی بام یا محوطه باز شده و نیاز سیستم به تصفیه آب خام و رسوب‌زدایی دائمی برج را دوچندان می‌سازد.

معیارهای مهندسی برای گزینش چیلر جذبی در پروژه‌ها

انتخاب چیلر جذبی نباید صرفاً یک تصمیم سلیقه‌ای یا ناشی از تفاوت قیمت اولیه دستگاه باشد. این انتخاب یک مسئله بهینه‌سازی چندمتغیره در مهندسی انرژی است. پروژه‌هایی بهترین بازدهی را از این سیستم دریافت می‌کنند که واجد یکی از ویژگی‌های مشخص باشند.

نخستین گروه، صنایعی هستند که از کوره‌ها، بویلرهای فرآیندی، توربین‌های گازی یا ژنراتورهای دیزلی حرارت اتلافی مداوم تولید می‌کنند؛ در سامانه‌های بازیافت حرارت (CCHP یا تری‌ژنریشن)، چیلر جذبی حرارت رایگانی را که باید در محیط تلف شود، به برودت بدون سوخت اضافی تبدیل می‌کند. دومین گروه، مراکز درمانی، هتل‌ها و شهرک‌های مسکونی متمرکز هستند که دیگ‌های بخار پرقدرت آن‌ها در فصل تابستان به دلیل خاموش شدن سیستم‌های گرمایشی بدون استفاده می‌ماند؛ در این سناریو، تبدیل ظرفیت مازاد بخار به سرمایش تابستانه با چیلر جذبی بخار، توجیه اقتصادی چشمگیری رقم می‌زند.

در پروژه‌های عمرانی کلان فاقد منابع بازیافتی، تنها در صورتی انتخاب چیلر جذبی شعله مستقیم عقلانی است که هزینه خرید انشعاب دیماند برق، نصب پست‌های برق اختصاصی و تجهیزات ذخیره دیزلی بیشتر از هزینه مازاد تأمین خطوط لوله گاز و برج‌های خنک‌کننده حجیم برآورد شود. در غیر این صورت، به‌ویژه در اقلیم‌های با بحران کم‌آبی، راندمان بسیار بالاتر چیلرهای تراکمی هوایی یا چیلرهای تراکمی مغناطیسی مدرن با آب‌خنک برتری خواهد داشت.

پرسش‌های متداول

مبرد و جاذب در چیلر جذبی متداول دقیقاً چیست؟

در بیش از ۹۰ درصد چیلرهای جذبی تهویه مطبوع تجاری، از «آب مقطر خالص» به‌عنوان مبرد سازگار با محیط زیست و از «محلول لیتیوم بروماید (LiBr)» به‌عنوان جاذب رطوبت استفاده می‌شود. در کاربردهای زیر صفر صنعتی، این ترکیب به «آمونیاک» (مبرد) و «آب» (جاذب) تغییر می‌یابد.

پدیده کریستالیزاسیون چیلر جذبی چیست و چگونه رفع می‌شود؟

کریستالیزاسیون به معنای جامد شدن و تبلور نمک لیتیوم بروماید در لوله‌های مبدل حرارتی است که مسیر جریان محلول را مسدود می‌کند. این وضعیت معمولاً به دلیل سرد شدن بیش از حد آب خنک‌کننده یا قطع ناگهانی برق رخ می‌دهد و با شستشوی حرارتی لوله‌ها، بازیابی خلاء و تنظیم رقیق‌سازی رفع می‌شود.

چرا مصرف آب در چیلر جذبی بیشتر از چیلر تراکمی است؟

چیلر جذبی علاوه بر گرمای دفعی ناشی از اواپراتور، گرمای واکنش گرمازای حل شدن مبرد در جاذب و گرمای حاصل از ژنراتور را نیز باید از طریق ابزوربر و کندانسور دفع کند. در نتیجه نرخ انتقال گرما به آب خنک‌کننده بالاتر بوده و نرخ تبخیر آب در برج خنک‌کننده حدود ۵۰ درصد بیشتر است.

آیا چیلر جذبی می‌تواند برای سرمایش دماپایین و زیر صفر درجه استفاده شود؟

خیر، سامانه‌های بر پایه آب و لیتیوم بروماید توانایی کار در دماهای زیر صفر را ندارند؛ زیرا آب در صفر درجه منجمد شده و باعث انفجار خطوط لوله می‌گردد. برای کاربری‌های تبرید صنعتی زیر صفر، از چیلرهای جذبی آمونیاک-آب با فشار کاری بالاتر بهره گرفته می‌شود.

طول عمر متوسط چیلرهای جذبی در مقایسه با چیلرهای تراکمی چقدر است؟

به دلیل عدم وجود قطعات سایشی دوربالا مانند روتورها و پیستون‌های کمپرسور، در صورت حفظ دائمی خلاء و مدیریت مهارکننده‌های شیمیایی ضدخوردگی، چیلرهای جذبی می‌توانند بین ۲۰ تا ۳۰ سال عمر مفید داشته باشند که نسبت به طول عمر ۱۵ تا ۲۰ ساله چیلرهای تراکمی بالاتر است.