فناوری چیلر جذبی برای ساختمان ها

ماخذ: HPAC

مقدمه

تحولات به وقوع پیوسته در صنعت و شیوه های جدید استفاده از منابع نیرو و همچنین رشد اقتصادی روز افزون موجب خواهد شد که در طی 20 سال آینده تحولاتی اساسیدر زمینه صنعت تبرید در سراسر دنیا رخ دهد. سازمان انرژی ایالات متحده (DOE) پیش بینی کرده است که در آمریکا بیش از 300 گیگاوات ظزفیت تولید انرژی برای تامین تقاضای روز افزون انرژی الکتریکی و همچنین جبران انرژی مربوط به نیروگاه هایی که از رده خارج میشوند مورد نیاز است. در ماه مارس سال ۱۹۹۹ این سازمان و صنایع مرتبط مفهوم “سرمایش، گرمایش و تأمین نیرو برای ساختمان ها” (BCHP) را مطرح کردند که آغازی برای توسعه تکنولوژی سیستم های تهویه مطبوع یکپارچه گرمایش با آب گرم خانگی و تأمین انرژی الکتریکی بود.

سرمایش جذبی یکی از فناوری های کلیدی در زمینه سرمایش، گرمایش و تأمین نیرو برای ساختمان ها میباشد چرا که این سیستم امکانات قابل توجهی را برای تبدیل گرمای هدر رفته به سرمایش در اختیار می گذارد.

سرمایشی که از این طریق به دست می آید را میتوان به منظور نگهداری و ارتقای کارایی توربین های گازی و ژنراتور های الکتریکی مورد استفاده قرار داد. در ساختمان های تجاری و موسسات مختلف که در آنها از سیستم چیلر های جذبی استفاده میشود طرح سرمایش، گرمایش و تأمین نیرو برای ساختمان ها بر حصول مفاهیم زیر استوار است:

• توسعه چیلرهای شعله مستقیم و تاسیسات حرارتی پیشرفته که نسبت به سیستم های شعله مستقیم جدید با تکنولوژی جذبی در اثره برتری دارند.
• توسعه تکنولوژی لیتیم برماید/آب مانند نسل طراحی جدید این سیستم سیستم های یثک اثره جذبی میکروتوربین ها و سیستم های جذبی هم سوز و چیلر های هواخنک لیتیم برماید/آب
• ارزیابی منافع بالقوه حاصل از موتورهای درون سوز توربین های گازی میکرو توربین ها و سلولهای سوختی
• شناسایی مراکز فعلی تولید نیرو که می توانند از یکپارچه سازی توسط چیلرهای جذبی مانند استفاده از سرمایش برای ورودی توربین های گازی منتفع گردند.

مقاله حاضر، پیشرفت های انجام شده در زمینه تکنولوژی های جذبی را به طور خلاصه با تکیه بر سیستم های جذبی دو اثره لیتیم برماید و آب معرفی میکند.

پیشرفت های انجام شده در زمینه تکنولوژی جذبی

تأثیرات حاصله از طرح سرمایش گرمایش و تأمین نیرو برای ساختمان ها در ایالات متحده منجر به ظهور موج جدیدی از علاقه‌مندی در زمینه چیلرهای جذبی شده است که متعاقباً باعث بروز پیشرفت هایی در زمینه طراحی برای افزایش کارایی و کاهش چشمگیر هزینه های عملیاتی و تعمیر و نگهداری گردیده است. سیستم های جذبی شعله مستقیم و غیر مستقیم امروزی می توانند در یک سیستم اتوماسیون ساختمانی به صورت یکپارچه درآمده و با عملکرد اتوماتیک از کریستاله شدن محلول در چیلر جلوگیری نموده و گزارش مفصلی راجع به عملیات و آزمایشهای انجام شده را به مرکز سرویس ارائه دهند.

• یکپارچه سازی بدون نفوذ هوا:

ریشه بسیاری از مشکلات کارکردی و تعمیر نگهداری چیلرها و هیترهای جذبی نشت هوا در سیستم است. همان طوری که میدانید هوا حاوی اکسیژن ،هیدروژن، نیتروژن و همچنین گازهای غیر قابل چگالش دیگر است. تجمع این گازهای غیر قابل چگالش در پوسته اصلی باعث کاهش ظرفیت دستگاه خواهد شد.
لوله های اسپری اغلب در نتیجه خوردگی داخلی فولاد مسدود میشوند زیرا این خوردگی باعث انتقال لایه های کنده شده از پوسته دستگاه به سر نازل ها می شود. خوردگی و لایه لایه شدن پوسته در نتیجه نشت اکسیژن به وجود می آید. بروز اشکال در تنظیم صحیح سیستم نیز ممکن است ناشی از نشت گازهای غیر قابل چگالش باشد. هنگامی که این نشتی ها وجود داشته باشند اکسیژن موجود در هوا باعث میشود که لیتیم برماید موجب خوردگی اجزای چیلر از داخل شده و منجر به از کارافتادگی زودرس سیستم گردد. در سیستم های جذبی مدرن به منظور دستیابی به یک سیستم بسته بدون نقص تمام راه های نفوذ به پوسته اصلی مسدود شده و جوشکاری دقیقی در تمام قسمت های آنها انجام می شود. تکنیک های پیشرفته جوشکاری و استفاده از موادی با کیفیت بالاتر نیز از بروز نشتی در سیستم جلوگیری میکنند.

• تبلور يا كریستالیزاسیون:

محرک های دور متغیر بازگشت محلول رقیق به ژنراتور را کنترل نموده و از تغلیظ بیش از حد محلول جلوگیری می کنند. کنترل کامل تر جریان محلول به چیلر اجازه میدهد تا مقدار بار را بر حسب دمای آب برگشتی تنظیم نموده وعكس العمل سریع تری داشته باشد.

• کنترل:

پیشرفت های صورت گرفته در زمینه میکروالکترونیک بر روی سیستم های جذبی نیز اثر گذاشته و کنترل اتوماتیک و دقیق تمام عملکردهای چیلرها و هیترها را ممکن ساخته است. کنترل های PLC متناوبا شاخص های مختلف عملکردی را تشخیص داده و جریان محلول و سوخت ورودی را به طور اتوماتیک تنظیم میکنند. کنترلهای PLC همچنین گزارشهای عملیاتی و معاینات مربوط به سیستم را از طریق مودم برای کنترل سیستم از راه دور تهیه می کنند. بیشتر این کنترل ها می توانند پمپ های سیستم و برج خنک کن را نیز با استفاده از خروجی های با سرعت متغیر برای کارایی بیشتر سیستم راه اندازی نمایند.

• کارایی:

ترکیب سیستم های یکپارچه بدون نفوذ هوا با مبدلهای حرارتی کارآمدتر کنترل های بهتر و طراحی پیشرفته تر موجب شده کارایی سیستم جذبی بیش از ۲۰ درصد نسبت به سیستم های طراحی شده در ۱۰ سال پیش افزایش پیدا کند. کارایی بیشتر این تجهیزات باعث کوچک تر شدن اندازه تأسیسات و ابعاد موتورخانه ها نیز شده است.

• عملکرد:

سیستم های جذبی علاوه بر تولید سرما، گرما نیز تولید میکنند که این امر موجب عدم نیاز به دیگ ها شده و فضای لازم برای تأسیسات و همچنین قیمت تمام شده سیستم را کاهش می دهد. آب گرم خانگی نیز با این سیستم تامین میگردد چراکه یک سیستم کنترل کننده اتوماتیک تمام نیازهای گرمایشی و سرمایشی را کنترل میکند.

سیستم های جذبی دارای میکروتوربین های هم سوز

چیلر های جذبی تک اثره میتوانند با میکروتوربین هایی که از سیستم های بازیافت گرما استفاده میکنند ادغام شوند. اما کارایی پایین چیلرهای تک اثره باعث شده است که بازار مناسبی برای چنین ترکیبی پیدا نشود.

تلفیق خروجی یک توربین با ورودی خوای یک چیلر جذبی شعله مستقیم دو اثره نتیجه بهتری ارائه خواهد داد.

توسعه دهندگان این صنعت همچنین درحال طراحی یک چیلر/هیتر جذبی از نوع شعله مستقیم گازسوز- هم سوز برای ساختمان هستند که:

1. میزان برق مورد نیاز ساختمان را کاهش میدهد. صرفه جویی در مصرف برق در این سیستم میتواند بالغ بر یک سوم برق مورد نیاز برای سیستم های معمولی در ساختمان باشد.
2. ظرفیت توربین های گازی را در دمای بالای محیط به وسیله سرد کردن مسیر ورودی افزایش میدهد.
3. تمام نیاز های یک ساختمان را با تولید نیرو همچنین تامین سرمایش گرمایش و آب گرم خانگی پوشش میدهد.

سیستم هم سوز به تنظیم هوای تامین شده از میکروتوربین با ژنراتور نیاز دارد چراکه ممکن است الکتریسیته و سرمایش مورد نیاز در مجموعه به یک اندازه نباشند.

دومین مسئله ای که باید در تلفیق یک چیلر/هیتر جذبی با میکروتوربین ها در نظر داشت همخوانی کامل جریان هوای خروجی از میکروتوربین با هوای مورد نیاز برای احتراق در ژنراتور میباشد. در این رابطه طرح اولیه ای برای تلفیق یک میکروتوربین 75 کیلو واتی یک سیستم چیلر/هیتر 70 تنی و یک برج خنک کن برای آزمایش در یکی از سایت های دولتی آمریکا در دست اجرا است. حدود 10 تن برای خنک کردن هوای ورودی و 60 تن بقیه برای سرمایش کل ساختمان که با میکروتوربین سرویس دهی میشود در نظر گرفته شده است.

سیستم های جذبی هوا خنک

در پایان دهه 80 و آغاز دهه 90 استفاده از چیلر های لیتیم برماید/آب با کندانسور های هوا خنک رایج گردید. مهم ترین مانع فنی در اجرای این پروژه مرز تبلور و کریستاله  شدن لیتیم برماید و آب بود. این مرز بسیار نزدیک به غلظت موردنیاز برای عملکرد لیتیم برماید و آب در چیلر های جذبی است. چیلر های جذبی معمولی لیتیم برماید/آب از افزودنی بسیار موثر 2 اتیل هگزانول برای انتقال حرارت و انتقال جرم استفاده میکنند. تحقیقات متعددی جهت شناسایی افزودنی مناسب برای انتقال حرارت و جرم که از ماده مذکور و عملکرد بهتری داشته باشد انجام شده که هیچ کدام به نتیجه نرسیده است.

دو تکنیک مهم برای طراحی سیستم های لیستیم برماید آب استفاده میشوند.

این تكنيك ها شامل موارد زیر هستند:

• تغییرات در طراحی مکانیکی (مانند مبدل های حرارتی با کارایی بسیار بالا) به منظور محدود کردن سیستم هوا – خنک در مرز کریستاله شدن لیتیم برماید / آب
• استفاده از افزودنی های شیمیایی به منظور انتقال مرز کریستاله شدن به دماهای بالاتر تا سیستم هوا – خنک بتواند از مرز کریستاله شدن فاصله گرفته و از نظر اقتصادی برای استفاده از مبدلهای حرارتی معمولی عملی باشد.

هر دو روش فوق الذکر می توانند در یک سیستم ادغام شوند، اما هر کدام از آنها به طور جداگانه مورد بررسی قرار خواهند گرفت:

روش های مکانیکی:

تولیدکنندگان آسیایی متعددی با استفاده از روش های مکانیکی موفق به طراحی چیلرهای لیتیم برماید آب با استفاده از خصوصیات شیمیایی معمولی این ماده شده اند. این محصولات که از مبدل های حرارتی به کارایی بسیار بالا و در برخی موارد ترکیب چند مبدل حرارتی بهره می برند برای استفاده در دماهای متعادل تابستانی مناسب هستند. اما این سیستم ها هنوز با محدودیت های مربوط به مرز کریستاله شدن لیتیم برماید آب روبرو بوده و حتی در بهترین شرایط ممکن است کارایی مناسبی برای موقعیت های آب و هوایی بسیار گرم نداشته باشند. علاوه بر این مبدل های حرارتی با کارایی بالا و مبدل های حرارتی اضافی به کار رفته در برخی از این طراحی ها از چیلرهای جذبی معمولی آب – خنک در هر تن بسیار گران تر تمام میشوند. بنا به این دلایل روش های مکانیکی معمول به منظور طراحی و تولید چیلرهای جذبی هوا – خنک لیتیم برماید آب با استفاده از خصوصیات شیمیایی استانداره لیتیم برماید آب در بسیاری از نقاط با آب و هوای گرم قابل استفاده نمی باشند. این مسئله مبین نیاز به ایجاد نسل جدید سیستم های جذبی هوا – خنک به منظور تولید نیرو سرمایش و گرمایش در ساختمان ها می باشد.

افزودنی های شیمیایی:

تلاش های بسیاری به منظور اصلاح خصوصیت کریستاله شدن در سیستم های لیتیم برماید آب با اضافه نمودن مواد شیمیایی آلی و معدنی صورت گرفته است. با این که تمام مواد شیمیایی مناسب این کار دارای آثار منفی بر روی سیستم میباشند که همین مسئله استفاده عملی از آنها را محدود می سازد، اما موفقیت چشمگیری در شناسایی و کاربرد افزودنی هایی برای انتقال ماده و انرژی در سیستم های یک اثره هوا – خنک به دست آمده است.

در پایان دهه ۷۰ و آغاز دهه ۸۰ شرکت Carrier نوعی افزودنی شیمیایی معرفی نمود که استفاده مؤثر از مخلوط لیتیم برماید آب و اتیلن گلیکول با نام تجاری Carrol را ممکن می ساخت این افزودنی شیمیایی تأثیری مشابه اثری که اتیل هگزانول بر سیستم لیتیم برماید آب معمولی دارد داشته و موجب می شود که انتقال حرارت و جرم در سیستم جذبی به نحو موثری بهبود باید این افزودنی جدید تمام خواص لازم برای ممانعت از پدیده کریستاله شدن در اتیلن گلیکول برای
استفاده در سیستم های هوا – خنک را ارائه داده و حاشیه امنیت مناسبی را در برابر کریستاله شدن حتی در دماهای بالای موجود در فضای باز ایجاد می کند. این سیستم با به کارگیری مبدل های حرارتی معمولی و نسبتاً ارزان قیمت قابل پیاده سازی است.

در طول سال های آغازین دهه ۱۹۸۰ شرکت Carrier با سرمایه گذاری سازمان انرژی آمریکا چیلرهای جذبی هوا – خنک خود را برای کار در سیستم های خورشیدی تولید کرده و در معرض نمایش گذاشت. نمونه اولیه این سیستم برای استفاده از آب گرم خورشیدی با دمای نسبتاً پایین که می توانست به آسانی در سیستم های تولید نیرو، سرمایش و گرمایش ساختمانی به کار رود، طراحی شده بود.

اساساً یک چیلر جذبی هوا – خنک تک اثره با استفاده از محلول Carrol باید ثبت تمام شده کمتری داشته و هزینه تعمیره نگهداری بسیار پایین تری نسبت به چیلرهای لیتیم برماید معمولی با ظرفیت مشابه با در نظر گرفتن برج خنک کن مربوطه برای کاربرد در ساختمان های کوچک داشته باشد. اما به علت قیمت نسبتاً بالای سیستم کامل چیلرهای هوا – خنک خورشیدی (به خاطر کلکتورهای خورشیدی گران قیمت در آن زمان)، تکنولوژی مربوط به چیلرهای هوا خنک تک اثره توجیه اقتصادی لازم را در طی دهه ۸۰ پیدا نکرد. به منظور استفاده از چیلرهای جذبی هوا – خنک تک اثره لیتیم برماید / آب در سیستم های تولید نیرو، سرمایش و گرمایش ساختمانی این چیلرها باید همخوانی کاملی با سیستم های کوچک تر تولید نیرو و سرمایش و گرمایش ساختمانی داشته باشند که در آنها برج های خنک کن و یا کندانسورهای تبخیری به کارنمی روند.

شاید زمان آن فرا رسیده باشد که مجدداً از تکنولوژی شیمیایی به کار رفته در سیستم های خورشیدی قدیمی لیتیم برماید آب هوا – خنک به منظور توسعه و به نمایش گذاشتن چیلرهای جذبی تک اثره جدید هوا – خنک لیتیم برماید آب که قیمت کمتری داشته و برای استفاده در سیستم های تولید نیرو، سرمایش و گرمایش ساختمانی طراحی شده اند، استفاده شود. متأسفانه محلول Carrol که در دستگاه های خورشیدی به کار رفته است از پایداری حرارتی مناسبی در دماهای موجود در سیستم های دو اثره برخوردار نمی باشد. همچنین برخی از سازندگان در برابر استفاده از مواد شیمیایی آلی در سیست های لیتیم برماید آب مقاومت نشان می دهند، حتی اگر ترکیب شیمیایی مذکور کارایی مناسبی در چیلرهای جذبی خورشیدی Carrier از خود نشان داده باشد. خوشبختانه طی تحقیقات اخیر، ترکیبات شیمیایی معدنی خاصی شناسایی شده اند که بررسی های انجام شده در آزمایشگاه، این مواد را برای چیلرهای جذبی هوا – خنک تک اثره و دو منظوره مناسب معرفی نموده است. این امر، توجیه لازم برای راهبری و توسعه تحقیقات در زمینه چیلرهای جذبی هوا -خنک تک اثره و دواثره با پایه لیتیم برماید / آب با قیمت مناسب را فراهم ساخته است.

سیستم های خنک کننده ورودی توربین ها

با این که نیروگاه هایی که از توربین های گازی استفاده میکنند معمولاً برای تولید نیروی برق در شبکه به کار گرفته می شوند می توان آنها را برای استفاده در سیستم های تولید نیرو سرمایش و گرمایش ساختمانی نیز به کار برد توربینهای گازی برای کار در بار زیاد مناسب بوده و عموماً بسیار مقرون به صرفه هستند. اما با این وجود یک ضعف اساسی دارند؛ چون این توربینها از موتورهای جریان جرمی هستند عملکرد تولید نیرو در آنها با افزایش دمای هوای محیط به سرعت کاهش می یابد. اگر هوای خنک تری در سیستم وجود داشته باشد به علت چگالی بیشتر به تبع آن نرخ جریان جرمی در سیستم افزایش می یابد.

در محدوده خاصی نیروی خروجی از این توربین ها با افزایش دمای هوای ورودی نسبت عکس دارد. تقریباً به ازای هر ۲۰F کاهش در دمای هوای ورودی، نیروی خروجی توربین بین ۱۰ تا ۱۸ درصد افزایش می یابد. اگر بتوان این سیستم را به صورتی که از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد طراحی نمود کاهش دمای هوای ورودی به سیستم دارای منافع قابل توجهی خواهد بود. تعدادی از فناوری هایی که باید در خصوص طراحی این سیستم های سرمایشی در نظر گرفته شوند عبارتند از:

• چیلرهای مکانیکی
• چیلرهای جذبی
• سیستمهای تبرید مستقیم
• تزریق مستقیم آب در سیستم
• خنک کردن با استفاده از آب با واسط ها

گران ترین روش این است که هیچ سیستمی برای خنک کردن هوای ورودی وجود نداشته باشد در حالی که استفاده از چیلرها بیشترین صرفه اقتصادی را در این زمینه به دنبال خواهد داشت. چیلرهای درون سیستمی مبرد ثانویه ای را در کویل های خنک کننده در جلوی توربین به گردش در می آورند (محلول گلیکول آب). این سیستم از یک چیلر جذبی یا چیلر سیکل تراکمی بخار کندانسورهای خنک شونده با آب برج خنک کن و کویل های خنک کننده تشکیل می شود. چیلرهای جذبی هوای ورودی را تا حدود ۵۰ الی ۵۵F خنک میکنند. این دما معمولاً به اندازه کافی برای دستیابی به بالاترین حد بازدهی در نیروی خروجی از توربین ها پایین میباشد. در صورتی که ظرفیت بالاتری برای توربین لازم باشد چیلرهای جذبی پیشرفته امروزی می توانند دمای هوای ورودی را به ۴۲F برسانند.
سرد کردن هوای ورودی تا دمای پایین تر از ۴۲F معمولاً توصیه نمی شود زیرا ممکن است در صورتی که هوا به خوبی رطوبت زدایی نشده باشد، باعث بروز یخ زدگی در سیستم شود.

انتخاب صحیح سیستم خنک کننده هوای ورودی بستگی به محل نصب توربين نیازمندی های کاربردی و همچنین محاسبات اقتصادی دارد. لازم است که تجزیه و تحلیل های مهندسی برای شاخص هایی مانند محل قرارگیری تأسیسات مشخصات توربین ظرفیت تأسیسات تولید نیرو و پیکربندی آن بهای گاز مصرفی ارزش الکتریسته تولید شده دسترسی به آب کافی و برنامه ریزی کارکرد سیستم صورت گیرد.

تأسیسات مربوط به چیلر/هیترهای شعله مستقیم

فلسفه طراحی سیستم های جذبی معمولی بر پایه سیستم هایی که آب سرد تولید میکنند استوار است. چون این سیستم از نظر دمایی فعال شده است میتوان از آن برای تهیه آب گرم و یا حتی بخار نیز استفاده نمود.

طراحی هایی از این دست که حول محور چیلرها انجام شده اند ظرفیت گرمایی و قابلیت دستیابی به دمای دلخواه محدودی دارند که متعاقباً کاربرد تأسیسات چیلر هیتر را به شدت محدود خواهد نمود. در طراحی های پیشرفته در زمینه چیلر هیترها از روش مستقلی برای طراحی هر سیستم استفاده می شود تا ظرفیت گرمایش و سرمایش مورد نیاز تأمین گردد.

بزرگ کردن اندازه ژنراتور در یک سیستم جذبی شعله مستقیم دو اثره می تواند امکان تأمین گرمایش ساختمان آب گرم خانگی و نیازهای سرمایشی را فراهم آورد. این طرح موجب از بین رفتن نیاز به استفاده از دیگهای جداگانه صرفه جویی در فضای به کار رفته و لوله کشی های لازم و تسهیل در امر تعمیر و نگهداری میگردد.

تحلیل هایی که در خصوص هزینه مربوط به طول عمر دستگاه انجام میگیرند باید تمامراین شاخص ها را به منظور تعیین بهترین راه حل برای تأمین نیازهای سرمایشی و گرمایشی ساختمان ها در مناطقی با آب و هوا و شرایط اقتصادی خاص مد نظر داشته باشند.

تأسیسات داخلی با استفاده از چیلرهای موجود

هنگامی که ترکیب گرمایش، سرمایش و تولید برق در ساختمان با استفاده از تکنولوژی جذبی در نظر باشد، ابتدا باید کیفیت و قابلیت دسترسی به انرژی حرارتی قابل بازیافت مورد بررسی قرار گیرد.

نتیجه‌گیری

تکنولوژی جذبی امکانات وسیع و ارزشمندی را در اختیار بازارهای جهانی قرار داده است. تکنولوژی سرمایش گرمایش و تولید نیرو در ساختمان ها برای کسانی که علاقه مند به حداکثر استفاده از سوخت میباشند فرصت مغتنمی را فراهم می آورد تا پیشرفت های انجام شده در تجهیزات جذبی را بازبینی نموده و امیدوار
به یکپارچه سازی تجهیزات در آینده باشند.

 

منبع: مجله صنعت تاسیسات شماره 58

 

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره کارگاه عملی ساختمان، تعمیر عیب‌یابی چیلر‌های تراکمی شرکت کنید.