آشنایی

با وجود اینکه سیکل‌های جذبی تاریخچه صد ساله دارند، اما تجارت تجهیزات جذبی سهم بسیار کمی نسبت به سیکل‌های تراکمی بخار دارند که عمده دلیل آن پیشرفت‌های کمتر فناوری نسبت به سیستم‌های تراکمی است به‌ خصوص در نوع هوا خنک یا کاربردهای کوچک تجاری و سردکن فضاهای مسکونی. سیکل‌های تراکمی بخار برای به کار انداختن کمپرسور و افزایش فشار مبرد نیاز به جریان الکتریسیته دارد. سیکل‌های جذبی همان وظیفه را به وسیله جذب مبرد در مایع، پمپاژ مخلوط مایع با چگالی و فشار بالا و سپس جداسازی مبرد به‌ وسیله حرارت دادن انجام می‌دهد. این سیال با چگالی بالا، باعث کاهش توان الکتریکی لازم برای کار سیستم می‌شود و نیاز به احداث نیروگاه‌های برق برای پاسخگویی به بار الکتریکی دستگاه‌های تهویه مطبوع در تابستان نیز کمتر خواهد شد. مبرد سیستم‌های جذبی سازگاری بیشتری نسبت به مبردهای سیکل تراکمی بخار با محیط دارند. در دهه گذشته پذیرفته شد که مبردهای ترکیبی سیستم‌های تراکمی می‌توانند اثرات زیانباری روی محیط‌ زیست داشته باشند. از سال 1995 این مبردها با مبردهایی که تصور می‌شد سازگاری بیشتری با محیط دارند جایگزین شدند. علاوه بر این، وقتی‌ که سیستم‌های تراکمی به‌ عنوان سیستم‌های با راندمان بالاتر از نوع جذبی در نظر گرفته می‌شود، برآوردی از تمام فرایندها لازم است انجام شود تا بتوان راندمان کل دو سیستم را با هم مقایسه کرد. Cop یا ضریب عملکرد دستگاه‌های تهویه مطبوع تراکمی به‌ عنوان مقدار حرارتی در نظر گرفته می‌شود که اواپراتور به سیستم اضافه می‌کند تقسیم بر مقدار انرژی الکتریکی که به کمپرسور داده می‌شود؛ اما مقدار سوخت لازم برای تولید این انرژی الکتریکی که توسط کمپرسور مصرف شده است، در نظر گرفته نمی‌شود. وقتی‌ که راندمان نیروگاه و سیستم‌های انتقال قدرت نیز به حساب آید آن‌ وقت مقایسه بهتری خواهیم داشت. در حال ضرب ضریب عملکرد سیستم‌های تراکم بخار که به‌صورت هوا خنک کار می‌کنند بین 3 تا 4 است و cop تجهیزات جذبی بین 1 تا 3/1. این انرژی به‌طور معمول از سوختن گاز طبیعی به‌ دست می‌آید. در کاربردهای تهویه مطبوع چاه حرارتی به‌ وسیله آب سردی که از برج خنک‌کن برمی‌گردد یا به‌ وسیله هوای خارج ایجاد می‌شود. در اوج بار سرمایی، دمای طراحی‌شده چاه رارحتی درصورتی‌که از سیستم برج خنک‌کن استفاده شود معمولاً 30 درجه سانتی‌گراد است که با توجه به دمای مرطوب هوای خارج 25 درجه سانتی‌گراد و دمای خشک هوا در یک روز تابستانی که معمولاً 35 درجه سانتی‌گراد است، در نظر گرفته می‌شود. برج‌های خنک‌کننده اندازه سیستم را افزایش می‌دهند و هزینه نگهداری آن‌ها نیز بالا است و حفظ کیفیت آب را از اهمیت خاصی برخوردار است. این عوامل باعث می‌شود تا برج‌های خنک‌کننده برای کاربردهای کوچک تجاری و مسکونی مناسب نباشد؛ اما چاه حرارتی که به وسیله هوای محیط در دمای 35 درجه سانتی‌گراد تأمین می‌شود، اندازه سیستم را کاهش می‌دهد. همین‌طور هزینه‌های نگهداری نیز در نبود برج خنک‌کن کاهش خواهد یافت.

سیکل جذبی آب – آمونیاک:

ساده‌ترین نوع سیکل جذبی، سیکل یک مرحله‌ای یا پایه است. متأسفانه cop سیکل جذبی هوا خنک یک مرحله‌ای آب – آمونیاک که در آن مبدل‌های حرارتی بکار نرفته است، حدود 5/0 بوده که خیلی پایین‌تر از مقدار 3/1 است که برای رقابت کردن با سیستم‌های تراکمی بخار لازم است به آن دست یابد. حتی اگر تفاوت قیمت بین انرژی گاز و برق را نیز در نظر بگیریم، باز هم هزینه عملکرد و تجهیزات سیکل جذبی یک مرحله‌ای آب – آمونیاک از سیکل تراکمی بالاتر بوده و توانایی رقابت تجاری را نخواهد داشت. یکی از راه‌حل‌های سیکل پایه استفاده از مبدل حرارتی ژنراتور – جاذب (gax) است. سیکل شامل (GAX) می‌تواند ضریب عملکرد را بین 8/0 تا 1 افزایش دهد و یکی از عمده تحقیقات قابل‌ اعتماد در زمینه‌های جذبی است. با تمام این تلاش‌ها به‌ هر حال توسعه تجاری این دستگاه‌ها وضعیت مناسبی ندارد. این تحقیق، شاخص‌های کاری و محدودیت‌های سیکل‌های چند مرحله‌ای را مورد مطالعه قرار داده است. وقتی یک سیکل چند مرحله‌ای ساخته می‌شود تعداد پارامترهای طراحی نیز افزایش می‌یابد. اولین سیکل سه مرحله‌ای جذبی آمونیاک در سال 1990 توسط) devault و marsala) بررسی شد. نتایج تحقیقات آن‌ها عملکرد یک سیکل سه مرحله‌ای با شرایط دمایی برج خنک‌کن را پیش‌بینی کرد ولی هیچ بررسی برای استفاده از مبدل‌های حرارتی یا توانایی خنک کاری سیکل با استفاده از هوا انجام نگرفت. تحقیقات روی سیکل‌های جذبی سه مرحله‌ای ادامه یافت و در سال 1997 سیکلی که با جفت مبرد- جاذب آب- آمونیاک و یا محلول آمونیاک – سدیم تیوسینات کار می‌کرد مورد بررسی قرار گرفت، اما محلول دومی باعث پیچیدگی سیستم شد و برای صنعت تهویه مطبوع ماده خطرناک بشمار می‌رفت. مطالعاتی که روی آب – آمونیاک انجام شد که سیکل توانایی خنک کاری با هوا را نیز داراست. سیکل جذبی آب – آمونیاک به وسیله خواص طبیعی این محلول محدود می‌شود. در دمای بیش از 200 درجه سانتی‌گراد، در ژنراتور سیکل، خوردگی یک مسئله مهم به شمار می‌آید. نمودار اجزا سیکل برای قسمت فشار بالا و فشار پایین یا حلقه بالا و پایین به‌طور جداگانه در شکل‌های a2 و b2 نشان داده شده است. برای این سیکل گرمای آزاد شده از حلقه فشار بالا شامل کندانسور، جاذب و رکتیفایر برای راه اندازه سیکل فشار پایین به کار می‌رود.

مدل‌سازی سیکل سه مرحله‌ای

آشنایی:

در این بخش فرآیندهای سیکل جذبی با استفاده از روابط پایه‌ای سیالات و قانون بقای جرم و انرژی مدل می‌شوند. متغیرهای مرتبط با طراحی شناخته‌شده و از آن‌ها برای بهینه کردن ضریب عملکرد سیستم استفاده شده است. سایز مناسب مبدل‌های حرارتی محاسبه‌شده و حالت‌های مختلف اتصال حلقه‌ها به هم مورد ارزیابی قرار گرفته است و در نهایت عملکرد سیستم تحت خنک کاری با هوای بیرون و در شرایط تابستانی توضیح داده شده و با نوع تراکمی آن مقایسه شده است. تجزیه و تحلیل‌های بیشتر و وسیع‌تر در این زمینه توسط jacob در سال 1997 به انجام رسیده است. برای مشخص کردن شرایط محلول در هر نقطه طراح باید تمام موارد نیاز سیکل یا مشخصات کاری آن را آزمایش کند احتیاجات سیکل جذبی می‌توان برای مشخص شدن خواص محلول در نقاط حالت مورد استفاده قرار گیرد.

جاذب:

همان‌طور که در شکل 2A دیده می‌شود در جاذب مایع اشباع با غلظت پایین (مرحله 15) با بخار اشباع یا سوپرهیت (مرحله 3) مخلوط می‌شود و گرمای جذب که در حین فرآیند آزاد می‌شود به چاه حرارتی در دمای پایین (جریان بین 6 و 7) تخلیه می‌شود تا مخلوط به‌صورت اشباع با غلظت متوسط حاصل شود. (مرحله 4). در فرآیند جذب که بین مایع و بخار رخ می‌دهد. فرض بر این است که تعادل برقرار شده و در حالت تعادل، دمای مایع و بخار یکسان است. علاوه بر این پتانسیل شیمیایی برای هر جزء در مخلوط نیز باید در فاز بخار و مایع یکسان باشد. همچنین دمای اشباع برای غلظت‌های متفاوت نیز باید تفاوت داشته باشد . مشخصات جاذب می‌تواند به‌وسیله سه خصوصیت مستقل دو جریان از سه جریان آن به‌طور کامل تعیین شود. همچنین مقدار انرژی که از جریان محلول آزاد می‌شود می‌تواند

از طریق قانون بقا انرژی و به‌صورت تابعی از دبی جرمی جریان محلول و آنتالپی آن بیان شود. بیان فرآیند جذب در فشار ثابت در نمودار دما-غلظت در شکل 3 نشان داده شده است. از این بیان، بعضی از محدودیت‌های سیکل مشخص می‌شود. برای هر فرآیند جذبی، دما در مرحله 4 باید کمتر از مرحله 15 باشد و غلظت مرحله 4 باید بیشتر از مرحله 15 باشد. فرآیند جذبی به‌وسیله دمای چاه حرارتی که برای تخلیه حرارت استفاده می‌شود نیز محدود می‌گردد. کمترین دمایی که می‌توان حرارت را به آن تخلیه کرد یکی از پارامترهای مهم طراحی است. برای اینکه حرارت بتواند از جریان محلول به دمای پایین‌تر منتقل شود. (مرحله 6 تا 7) دمای مرحله 4 باید بالاتر از مرحله 7 باشد. دمای حالت 6 نیز یکی از پارامترهای مهم طراحی است. این دما به‌طور معمول، دمای چاه حرارتی سیکل در نظر گرفته می‌شود و حد آن با دمای هوای خارج یا دمای آب برج خنک‌کن معلوم می‌شود. غلظت مبردی که وارد محفظه جاذب می‌شود از دیگر پارامترهای طراحی است. غلظت مخلوط مبرد باید تا حد امکان به مبرد خالص نزدیک باشد. چون هرچه مبرد خالص‌تر باشد میزان انتقال حرارت در اواپراتور و همچنین ظرفیت دستگاه و حرارت دفع شده افزایش خواهد یافت. این غلظت ممکن است توسط طراح مشخص شود یا نتیجه محدودیت‌های موجود در انتقال حرارت و رکتیفایر دستگاه باشد. در محفظه جاذب نیز فرض می‌شود که فشار برای تمام جریان‌ها یکسان است و بنابراین یکی از پارامترهای مشخص شده طراحی به شمار می‌آید. نشان داده شده که فرض ثابت بودن فشار در محفظه جاذب منجر به نتایج درستی می‌شود.