چیلر جذبی یکی از تجهیزات سرمایشی است که می‌تواند با استفاده از انرژی حرارتی، آب سرد موردنیاز پروژه‌های ساختمانی و صنعتی را تأمین کند. برخلاف چیلرهای تراکمی که برای انجام فرآیند اصلی سرمایش به کمپرسور و انرژی الکتریکی وابسته هستند، چیلرهای جذبی از حرارت به‌عنوان منبع اصلی انرژی استفاده می‌کنند.
یکی از کاربردهای مهم این فناوری، استفاده از چیلر جذبی در نیروگاه‌های مقیاس کوچک و سیستم‌های تولید هم‌زمان برق و حرارت (CHP) است. در این نیروگاه‌ها، بخشی از انرژی سوخت به‌صورت حرارت در گازهای خروجی دیزل ژنراتور یا سایر تجهیزات تولید برق وجود دارد. با بازیافت این حرارت می‌توان انرژی موردنیاز ژنراتور چیلر جذبی را تأمین کرد و از آن برای تولید سرمایش استفاده نمود.
این ترکیب علاوه بر کاهش اتلاف انرژی، می‌تواند به کاهش مصرف برق شبکه و افزایش بهره‌وری کلی مجموعه کمک کند.
در این مقاله، انواع چیلرها، ساختار چیلر جذبی، نحوه اتصال آن به نیروگاه مقیاس کوچک، منابع حرارتی، مشخصات عملکردی و هزینه‌های اولیه و جاری این سیستم بررسی می‌شوند.
۱. انواع چیلر و تفاوت سیستم جذبی و تراکمی
چیلر دستگاهی است که برای خنک کردن آب یا سیال موردنیاز سیستم‌های تهویه مطبوع و فرآیندهای صنعتی استفاده می‌شود. آب سرد تولیدشده توسط چیلر می‌تواند در ساختمان‌های مسکونی، تجاری، بیمارستان‌ها، مراکز صنعتی و تجهیزات فرآیندی مورد استفاده قرار بگیرد.
از نظر سیکل عملکرد، چیلرها به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:
۱-۱. چیلر تراکمی (Vapor Compression Chiller)
چیلرهای تراکمی برای فشرده‌سازی مبرد و ادامه چرخه تبرید از کمپرسور استفاده می‌کنند. کمپرسورهای مورد استفاده در این تجهیزات می‌توانند از انواع زیر باشند:
کمپرسور رفت‌وبرگشتی (Reciprocating)
کمپرسور اسکرو (Screw)
کمپرسور اسکرال (Scroll)
کمپرسور سانتریفیوژ (Centrifugal)
در چیلرهای تراکمی متداول، موتور محرک کمپرسور از انرژی الکتریکی استفاده می‌کند. البته در برخی طراحی‌ها امکان استفاده از موتورهای گازسوز یا توربین بخار نیز وجود دارد.
۱-۲. چیلر جذبی (Absorption Chiller)
چیلرهای جذبی به‌جای استفاده از کمپرسور مکانیکی، از انرژی حرارتی برای انجام فرآیند اصلی تبرید استفاده می‌کنند.
در این سیستم، مبرد توسط یک ماده جاذب جذب شده و سپس با دریافت حرارت در ژنراتور از آن جدا می‌شود. به همین دلیل، منبع اصلی انرژی چیلر جذبی می‌تواند گاز طبیعی، گازوئیل، بخار، آب گرم یا حرارت بازیافتی باشد.
چیلرهای جذبی از نظر نوع فرآیند جذب به دو گروه تقسیم می‌شوند:
جذب حجمی (Absorption): در این روش، مبرد معمولاً آب توسط یک جاذب مایع مانند لیتیوم بروماید جذب می‌شود. این فناوری در سیستم‌های سرمایش مرکزی کاربرد گسترده‌ای دارد.
جذب سطحی (Adsorption): در این روش، مبرد توسط یک جاذب جامد مانند سیلیکاژل جذب می‌شود.
در مقایسه این دو فناوری، سیستم‌های جذب حجمی از نوع لیتیوم بروماید و آب، از متداول‌ترین گزینه‌ها در کاربردهای تهویه مطبوع هستند.
۲. ترکیب چیلر جذبی با نیروگاه مقیاس کوچک و سیستم CHP
نیروگاه‌های مقیاس کوچک معمولاً برای تولید برق در محل مصرف مورد استفاده قرار می‌گیرند. در بسیاری از این نیروگاه‌ها، دیزل ژنراتورهای رفت‌وبرگشتی یا سایر موتورهای احتراقی وظیفه تولید برق را بر عهده دارند.
در فرآیند تولید برق، بخشی از انرژی سوخت به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود و بخشی دیگر به شکل حرارت در موتور، سیستم خنک‌کاری و گازهای خروجی وجود دارد.
سیستم تولید هم‌زمان برق و حرارت (Combined Heat and Power یا CHP) با هدف استفاده مجدد از این انرژی حرارتی طراحی می‌شود.
در این ساختار، حرارت بازیافتی می‌تواند برای مصارف مختلف از جمله تأمین آب گرم، تولید بخار یا راه‌اندازی چیلر جذبی مورد استفاده قرار بگیرد.
یکی از روش‌های افزایش بهره‌وری انرژی در نیروگاه مقیاس کوچک، اتصال چیلر جذبی به منبع حرارتی دیزل ژنراتور است. در این حالت، حرارت خروجی ژنراتور به‌صورت مستقیم یا غیرمستقیم به ژنراتور چیلر جذبی منتقل می‌شود و انرژی موردنیاز فرآیند سرمایش را تأمین می‌کند.
۲-۱. مشخصات کلی چیلر جذبی قابل استفاده در سیستم CHP
بر اساس اطلاعات ارائه‌شده در منبع مقاله، مشخصات کلی این سیستم به شرح زیر است:
| پارامتر | مشخصات |
|---|---|
| بازه ظرفیت سرمایشی | ۵ تا ۳۰۰۰ تن تبرید |
| منبع حرارتی | آب گرم، بخار یا دود اگزوز ژنراتور |
| نوع طراحی | تک‌مرحله‌ای و دو‌مرحله‌ای |
| سیستم تک‌مرحله‌ای | آب گرم با دمای ۹۰ تا ۱۱۵ درجه سانتی‌گراد یا بخار فشار پایین حدود ۱ بار |
| سیستم دو‌مرحله‌ای | آب گرم با دمای حدود ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد یا بخار با فشار حدود ۸ بار |
| استفاده مستقیم از دود اگزوز | دمای دود حدود ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد |
در طراحی تک‌مرحله‌ای، می‌توان از آب گرم یا بخار فشار پایین حاصل از سیستم‌های تولید برق استفاده کرد. در طراحی دو‌مرحله‌ای نیز امکان استفاده از منابع حرارتی با دمای بالاتر یا بخار فشار بالاتر وجود دارد.
همچنین در برخی طراحی‌ها، دود خروجی ژنراتور می‌تواند به‌صورت مستقیم به چیلر جذبی متصل شود. در این حالت، دمای گاز خروجی و مشخصات آن باید با الزامات طراحی ژنراتور چیلر مطابقت داشته باشد.
۲-۲. انتخاب مبرد و جاذب در چیلر جذبی
نوع مبرد و جاذب در چیلر جذبی به دمای سرمایش موردنیاز و شرایط کاربرد بستگی دارد.
دو ترکیب متداول در این تجهیزات عبارت‌اند از:
آب و لیتیوم بروماید (Water/LiBr):
در چیلرهای جذبی لیتیوم بروماید، آب به‌عنوان مبرد و لیتیوم بروماید به‌عنوان جاذب استفاده می‌شود. این ترکیب برای کاربردهای تهویه مطبوع و تولید آب سرد با دمای حدود ۵ درجه سانتی‌گراد و بالاتر مناسب است.
آمونیاک و آب (Ammonia/Water):
در این سیستم، آمونیاک به‌عنوان مبرد و آب به‌عنوان جاذب استفاده می‌شود. این ترکیب برای کاربردهایی که به دماهای پایین‌تر از محدوده متداول چیلرهای آب و لیتیوم بروماید نیاز دارند، قابل استفاده است.
| ترکیب مبرد و جاذب | مبرد | جاذب | کاربرد |
|---|---|---|---|
| آب و لیتیوم بروماید | آب | لیتیوم بروماید | تهویه مطبوع و تولید آب سرد در دمای حدود ۵ درجه سانتی‌گراد و بالاتر |
| آمونیاک و آب | آمونیاک | آب | کاربردهای سرمایشی با دمای پایین‌تر |
۳. کاربردهای چیلر جذبی در نیروگاه‌ها و صنایع
چیلرهای جذبی به دلیل امکان استفاده از منابع حرارتی مختلف، در پروژه‌هایی که ظرفیت سرمایشی بالا یا بار سرمایشی نسبتاً ثابت دارند، قابل استفاده هستند.
در نیروگاه‌های مقیاس کوچک، استفاده از حرارت بازیافتی دیزل ژنراتور می‌تواند بخشی از انرژی موردنیاز چیلر را تأمین کند. این موضوع به‌خصوص در مجموعه‌هایی اهمیت دارد که در طول سال به سرمایش مداوم نیاز دارند.
مهم‌ترین کاربردهای چیلر جذبی عبارت‌اند از:
مراکز خرید و مجتمع‌های تجاری: تأمین آب سرد موردنیاز سیستم تهویه مطبوع مرکزی.
بیمارستان‌ها: سرمایش فضاهای درمانی و بخش‌های مختلف ساختمان.
هتل‌ها: تأمین سرمایش فضاهای عمومی، اتاق‌ها و بخش‌های خدماتی.
ساختمان‌های اداری بزرگ و خوابگاه‌ها: تأمین سرمایش مرکزی برای فضاهای پرتردد.
صنایع شیمیایی و غذایی: تأمین آب سرد موردنیاز فرآیندهای تولید.
سردخانه‌ها: استفاده از سیستم‌های جذبی مناسب برای تأمین سرمایش موردنیاز.
دیتاسنترها: تأمین سرمایش در صورت تطابق مشخصات سیستم با بار سرمایشی و الزامات پایداری مرکز داده.
سیستم‌های سرمایش منطقه‌ای: استفاده از چیلرهای مرکزی برای تأمین سرمایش چند ساختمان یا مجموعه.
در پروژه‌هایی که بار سرمایشی در طول سال ثابت است یا منبع حرارتی بازیافتی به‌صورت مستمر در دسترس قرار دارد، استفاده از چیلر جذبی می‌تواند از نظر فنی و اقتصادی قابل بررسی باشد.
۴. شرح فرآیند و مکانیزم عملکرد چیلر جذبی
سیکل چیلر جذبی، مانند چیلر تراکمی، بر پایه تغییر فاز مبرد و استفاده از گرمای نهان تبخیر برای تولید سرمایش عمل می‌کند.
تفاوت اصلی این دو سیستم در روش تأمین انرژی و فرآیند افزایش فشار مبرد است. در چیلر تراکمی، کمپرسور مکانیکی وظیفه فشرده‌سازی مبرد را بر عهده دارد؛ اما در چیلر جذبی، این فرآیند با استفاده از مجموعه‌ای شامل ابزوربر، ژنراتور و پمپ انجام می‌شود که به آن تراکم حرارتی (Thermal Compression) نیز گفته می‌شود.
در چیلر جذبی، بخار مبرد خروجی از اواپراتور وارد ابزوربر می‌شود. در این بخش، مبرد توسط ماده جاذب جذب شده و محلول حاصل تشکیل می‌شود.
سپس پمپ، محلول را به ژنراتور منتقل می‌کند. در ژنراتور با استفاده از انرژی حرارتی، مبرد از محلول جدا شده و به شکل بخار با فشار بالاتر وارد کندانسور می‌شود.
در کندانسور، بخار مبرد حرارت خود را دفع کرده و به مایع تبدیل می‌شود. سپس مبرد به اواپراتور بازمی‌گردد و چرخه سرمایش ادامه پیدا می‌کند.
از طرف دیگر، محلول غلیظ‌شده در ژنراتور به ابزوربر بازمی‌گردد تا مجدداً بخار مبرد را جذب کند.
فرآیند جذب در ابزوربر گرمازا است؛ بنابراین حرارت تولیدشده در این بخش باید توسط آب برج خنک‌کن دفع شود.
به این ترتیب، در چیلر جذبی به‌جای استفاده از کمپرسور مکانیکی پرمصرف، از فرآیند جذب، پمپاژ و دفع حرارتی برای گردش مبرد استفاده می‌شود.
۵. مشخصه‌های عملکردی چیلر جذبی در سیستم CHP
یکی از شاخص‌های مهم برای بررسی عملکرد چیلر جذبی، ضریب عملکرد یا COP است.
ضریب عملکرد چیلر جذبی از نسبت ظرفیت سرمایشی تولیدشده به انرژی حرارتی ورودی به دستگاه محاسبه می‌شود. این پارامتر بدون بعد است و معمولاً مصرف برق پمپ‌ها، فن برج خنک‌کن و سایر تجهیزات جانبی را در بر نمی‌گیرد.
به‌طور معمول:
ضریب عملکرد چیلرهای جذبی تک‌اثره کمتر از یک است.
ضریب عملکرد چیلرهای جذبی دواثره بیشتر از یک است.
ضریب عملکرد بالاتر در چیلر دواثره به دلیل استفاده مجدد از حرارت تولیدشده در فرآیند جداسازی مبرد است.
با این حال، چیلر دواثره به دمای بالاتری در ژنراتور نیاز دارد. بر اساس اطلاعات منبع، دمای ژنراتور چیلر دواثره حدود ۱۵۰ درجه فارنهایت بیشتر از نوع تک‌اثره است.
بنابراین، انتخاب نوع چیلر باید با توجه به دما، فشار و مقدار انرژی حرارتی قابل‌دسترس در نیروگاه انجام شود. در برخی شرایط، با وجود COP پایین‌تر، چیلر تک‌اثره می‌تواند از نظر اقتصادی انتخاب مناسب‌تری باشد.
۵-۱. مقایسه عملکرد چیلرهای جذبی تک‌اثره و دواثره
در نمونه مورد بررسی منبع مقاله، هفت سیستم چیلر جذبی لیتیوم بروماید و آب با ظرفیت‌های سرمایشی بین ۵۰ تا ۱۳۲۰ تن تبرید در نظر گرفته شده‌اند.
در این مجموعه:
سیستم‌های شماره ۱ تا ۳ از نوع تک‌اثره هستند.
سیستم‌های شماره ۴ تا ۷ از نوع دواثره هستند.
منابع حرارتی سیستم‌های تک‌اثره شامل آب گرم و بخار فشار پایین است.
منابع حرارتی سیستم‌های دواثره شامل بخار فشار بالا و دود خروجی دیزل ژنراتور است.
دمای آب سرد رفت و برگشت در سیستم‌ها برابر با ۴۴ و ۵۴ درجه فارنهایت در نظر گرفته شده است.
ضریب عملکرد محاسبه‌شده برای چیلرهای تک‌اثره بین ۰٫۷ تا ۰٫۷۹ و برای چیلرهای دواثره بین ۱٫۳۵ تا ۱٫۴۲ گزارش شده است.
جدول ۲. مشخصات عملکرد چیلرهای جذبی تک‌اثره و دواثره
این اطلاعات نشان می‌دهد که ضریب عملکرد بالاتر چیلر دواثره به‌تنهایی برای انتخاب آن کافی نیست. دمای منبع حرارتی، میزان انرژی بازیافتی و شرایط بهره‌برداری نیروگاه نیز باید بررسی شوند.
۶. هزینه‌های اولیه، بهره‌برداری و نگهداری چیلر جذبی
در ارزیابی اقتصادی چیلر جذبی، علاوه بر مصرف انرژی، هزینه خرید، نصب، نگهداری و تعمیرات نیز اهمیت دارد.
بر اساس اطلاعات منبع مقاله، هزینه نصب‌شده چیلرهای جذبی تک‌اثره در محدوده ۱۸۰۰ تا ۶۰۰۰ دلار به ازای هر تن تبرید و برای چیلرهای دواثره در محدوده ۱۶۰۰ تا ۳۳۰۰ دلار به ازای هر تن تبرید گزارش شده است.
همچنین با افزایش ظرفیت سرمایشی، هزینه نصب به ازای هر تن تبرید کاهش پیدا می‌کند.
برای مثال، در ظرفیت ۱۳۲۰ تن تبرید، هزینه نصب‌شده چیلر تک‌اثره حدود ۱۸۰۰ دلار به ازای هر تن و هزینه نصب چیلر دواثره با همان ظرفیت حدود ۱۶۰۰ دلار به ازای هر تن گزارش شده است.
۶-۱. هزینه تعمیر و نگهداری (O&M)
هزینه‌های بهره‌برداری و نگهداری یا O&M شامل فعالیت‌های لازم برای حفظ عملکرد مناسب چیلر هستند.
بر اساس منبع مقاله:
هزینه O&M چیلرهای جذبی تک‌اثره بین ۰٫۱ تا ۰٫۶ سنت به ازای هر تن تبرید-ساعت در سال است.
هزینه O&M چیلرهای جذبی دواثره بین ۰٫۱ تا ۰٫۳ سنت به ازای هر تن تبرید-ساعت در سال است.
این هزینه‌ها شامل انرژی مصرفی دستگاه نیستند، اما مواردی مانند تصفیه دوره‌ای گازهای غیرقابل‌چگالش، نظارت بر برج خنک‌کن و کنترل کیفیت آب را در بر می‌گیرند.
جدول ۳. هزینه سرمایه اولیه و تعمیر و نگهداری چیلرهای جذبی
نکته مهم این است که تمام ارقام اقتصادی ارائه‌شده در این بخش مربوط به ایالات متحده و شرایط اقتصادی زمان تهیه منبع اصلی مقاله هستند. بنابراین برای استفاده در پروژه‌های جدید، باید قیمت تجهیزات، هزینه نصب، انرژی و نگهداری به‌روزرسانی شوند.
۷. بررسی آلایندگی و اثرات زیست‌محیطی چیلر جذبی در نیروگاه CHP
میزان انتشار آلاینده‌ها در چیلر جذبی به نوع منبع انرژی و نحوه تأمین حرارت آن وابسته است.
اگر چیلر جذبی از حرارت بازیافتی نیروگاه CHP استفاده کند، برای تولید سرمایش به سوخت اضافی در خود چیلر نیاز ندارد. با این حال، این موضوع به معنای صفر بودن انتشار آلاینده در کل مجموعه نیروگاهی نیست؛ زیرا انتشار ناشی از سوخت مصرفی دیزل ژنراتور همچنان باید در ارزیابی زیست‌محیطی سیستم در نظر گرفته شود.
در چیلرهای جذبی شعله مستقیم، میزان انتشار آلاینده‌ها به نوع سوخت و فناوری احتراق مشعل بستگی دارد.
گاز طبیعی یکی از سوخت‌های مورد استفاده در این تجهیزات است. همچنین فناوری‌هایی مانند مشعل‌های کم‌اکسید نیتروژن (Low NOx) و کنترل دمای گازهای خروجی می‌توانند به کاهش انتشار برخی آلاینده‌ها کمک کنند.
از طرف دیگر، در چیلرهای جذبی لیتیوم بروماید و آب، آب به‌عنوان مبرد استفاده می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود سیستم به مبردهای فلوئوروکربنی متداول در بسیاری از چیلرهای تراکمی نیاز نداشته باشد.
بنابراین، ارزیابی زیست‌محیطی چیلر جذبی باید با در نظر گرفتن نوع مبرد، سوخت، منبع حرارتی، راندمان نیروگاه و میزان انتشار کل مجموعه انجام شود.
۸. مزایای استفاده از چیلر جذبی در نیروگاه مقیاس کوچک
ترکیب چیلر جذبی با نیروگاه مقیاس کوچک و سیستم CHP می‌تواند مزایای فنی و اقتصادی متعددی داشته باشد.
مهم‌ترین مزایای این ترکیب عبارت‌اند از:
۱. بازیافت حرارت خروجی ژنراتور: استفاده از انرژی حرارتی دود اگزوز، آب گرم یا بخار به‌جای هدررفت آن.
۲. کاهش مصرف برق شبکه: تولید سرمایش با استفاده از حرارت بازیافتی و کاهش وابستگی به چیلر تراکمی الکتریکی.
۳. افزایش بهره‌وری انرژی: استفاده از یک منبع سوخت برای تولید برق و تأمین بخشی از نیاز سرمایشی مجموعه.
۴. قابلیت استفاده از منابع حرارتی مختلف: امکان استفاده از بخار، آب گرم، گاز طبیعی و حرارت خروجی تجهیزات صنعتی.
۵. کاربرد در بارهای سرمایشی پیوسته: مناسب برای بررسی در پروژه‌هایی که در طول سال به سرمایش نسبتاً ثابت نیاز دارند.
۶. کاهش اتلاف انرژی: استفاده از بخشی از انرژی حرارتی که در غیر این صورت از طریق دود خروجی یا سایر مسیرها دفع می‌شود.
جمع‌بندی
استفاده از چیلر جذبی در نیروگاه مقیاس کوچک یکی از روش‌های بهره‌برداری از انرژی حرارتی بازیافتی در سیستم‌های تولید هم‌زمان برق و حرارت (CHP) است.
در این ساختار، حرارت حاصل از عملکرد دیزل ژنراتور یا سایر تجهیزات نیروگاهی می‌تواند برای راه‌اندازی ژنراتور چیلر جذبی مورد استفاده قرار بگیرد. در نتیجه، علاوه بر تولید برق، امکان تأمین سرمایش موردنیاز ساختمان‌ها، سردخانه‌ها و فرآیندهای صنعتی نیز فراهم می‌شود.
انتخاب چیلر جذبی تک‌اثره یا دواثره به دما، فشار و مقدار انرژی حرارتی در دسترس وابسته است. اگر منبع حرارتی دمای پایین‌تری داشته باشد، سیستم تک‌اثره می‌تواند قابل بررسی باشد؛ در حالی که سیستم دواثره برای استفاده از منابع حرارتی با دمای بالاتر و شرایط مناسب طراحی می‌شود.
در نهایت، برای انتخاب یک سیستم CHP مجهز به چیلر جذبی، باید ظرفیت نیروگاه، مشخصات دود خروجی، دمای منبع حرارتی، ظرفیت سرمایشی موردنیاز، هزینه سرمایه‌گذاری و هزینه‌های بهره‌برداری به‌صورت یکپارچه بررسی شوند.