مقایسه و تفاوت چیلر های تراکمی و جذبی

1399/9/26 14:27:13

مقایسه و تفاوت چیلر های تراکمی و جذبی

چیلر تراکمی بهتر است یا جذبی؟ چه تفاوت هایی باهم دارند؟ از لحاظ قیمت و مصرف انرژی کدامیک برای پروژۀ ما مناسب تر است؟ این هاسؤالات و چالش هایی است که مشتریان در زمان خرید چیلر، همواره از کارشناسان تهویهسارایئل نسیم می پرسند و ما در این مقاله قصد داریم به طور جامع و کامل دومحصول چیلر جذبی و تراکمی را از ابعاد گوناگونی با یکدیگر مقایسه کنیم.

انتخاب چیلر جذبی یاتراکمی

این روزها، در صنعت تهویه مطبوع، سیستم ها و تجهیزات متنوعیبرای انتخاب وجود دارند. اما یکی از رایج ترین آن ها که سال هاست خصوصاً درساختمان های بزرگ بکار می رود، دستگاهی است بنام چیلر که در دستۀ سیستم های تهویه مطبوع آبی قرار می گیرد. اساساًچیلر به ماشینی گفته می شود که گرما را از محیطی گرفته و به محیط دیگری منتقل میکند. به عبارت ساده تر، چیلر با تولید آب سرد (7 درجه سانتی گراد) و انتقال آن بهداخل هواساز یا فن کویل، منجر به سرمایش محیط داخلی یک ساختمان می شود. البته ازچیلر نیز در فرایندهای صنعتی که نیاز به آب سرد دارند (از منفی 40درجۀ سانتی گرادتا 3 درجۀ سانتی گراد بالاتر از دمای مرطوب محیط) استفاده می شود.

چیلرتراکمی آب خنک (Water cooled chiller) :

در چیلرهای تراکمی آب خنک، کندانسور (مبدل پوسته و لوله) ازطریق تبادل انرژی با آب، گاز مبرد را خنک و به مایع تبدیل می کند. بطوریکه گازمبرد داغ خروجی از کمپرسور، وارد پوسته کندانسور شده و جریان آبی با دمای مناسب(تولید شده توسط برج خنک­ کننده) از درون لوله ها عبور داده می شود.

چیلر جذبی :

مبنایکار چیلرهای جذبی، سیکل تبرید جذبی استکه بر اساس جذب مبرد توسط مادۀ جاذب عمل می کند.

سیکل تبرید جذبی

مبرد و مادۀ جاذب بواسطۀدفع حرارت در ابزوربر (محفظۀ جاذب)، محلول مایعی را تشکیل می دهند که از طریق پمپبه سمت ژنراتور جریان می یابد. با جذب گرما در ژنراتور، محلول رقیق می شود، به اینمعنا که مبرد تبخیر و از مادۀ جاذب جدا می گردد. به این ترتیب از یک طرف بخار مبردراهیِ کندانسور شده و از طرف دیگر مادۀ جاذبِ باقی مانده در ژنراتور به ابزوربرباز می گردد. مبرد در ادامۀ مسیر به مانند سیکل تراکمی بخار به شکل مایع ازکندانسور خارج شده و پس از کاهش فشار و دما در اثر فرایند اختناق، وارد اواپراتورمی شود. در اواپراتور بعلت جذب گرمای آبِ در گردش، ضمن سرد شدن آب، مبرد کاملاًتبخیر شده و مجدداً به سمت ابزوربر برمی گردد تا در مادۀ جاذب حل شود.

تمامی فرایندهایسیکل تبرید جذبی در شرایط خلاء (فشار زیرِ یک اتمسفر) اتفاق می افتد و این موضوعیکی از مهمترین تفاوت های سیکل تبرید جذبی و تراکمی می باشد.

مقایسهظریب عملکرد چیلرهای تراکمی و جذبی :

ضریب عملکردچیلر(Coefficient Of Performance) که در واقع نشان دهندۀ راندمان مصرفانرژی آن است یکی از مهمترین پارامترها در ارزیابیِ کارایی چیلر محسوب می شود.نسبت گرمای دریافتی از آب در اواپراتور به مجموع انرژی مصرفی در مصرف کننده ­ها(کمپرسور، الکتروفن های کندانسور هواخنک، برج خنک کننده، پمپ و ژنراتور) تعریفضریب عملکرد چیلر می باشد. اندازه گیری ها بر مبنای شرایط یکسان (شرایط استاندارد تهویه مطبوع) نشان می دهد که حداکثر ضریب عملکرد در چیلرهای تراکمی هوا خنک(با کمپرسور اسکرو) 3.5kW/kWو در چیلرهایتراکمی آب خنک (با کمپرسور سانتریفیوژ) 6kW/kW میباشد. این در حالی است که حداکثر ضریب عملکردِ چیلرهای جذبی تک اثره 0.8kW/kW و چیلرهای جذبی دو اثره 1.4kW/kW است.

تعریف شرایط استاندارد تهویه مطبوع (AHRI 550/590):

بر اساس استاندارد جهانی مؤسسۀ تهویه مطبوع، گرمایش و تبرید که بهاختصار آن را AHRI مینامیم، شرایط استاندارد تهویه مطبوع برمبنای چهار پارامتر زیر تعریف می شود:

·       دمایخشک محیط: 35 درجۀ سانتی گراد

·       دمایآب ورودی و خروجیِ اواپراتور: 12 و 7 درجۀ سانتی گراد

·       دمایآب ورودی و خروجیِ کندانسور آب خنک: 30 و 35 درجۀ سانتی گراد

·        ارتفاعاز سطح دریا: صفر

مقایسه مصرف آب چیلر های تراکمی و جذبی :

از آنجا که در چیلرهای جذبی علاوه بر کندانسور آب خنک، برای دفع حرارتدر ابزوربر نیز از آب خنکِ تولیدی در کولینگ تاور (برج خنک کننده) استفاده می شود، به گردش آبِ خنک بیشتری نیاز خواهد بود (نزدیک به 50درصد بیشتر از چیلرهای تراکمی آب خنک). بنابراین سایز پمپ های سیرکولاسیون، خطوطانتقال آب، برج خنک کننده، دستگاه های سختی گیر و اساساً میزان مصرف آب درچیلرهای جذبی حدودِ 50 درصد بیشتر از چیلرهای تراکمی آب خنک می باشد.

مقایسهمصرف انرژی در چیلر های تراکمی و جذبی :

نتایج مطالعات ومحاسبات برای اقلیم های مختلف نشان می دهد که مجموع انرژی مورد نیاز برای تولیدسرمایش در چیلرهای جذبی همواره نسبت به چیلرهای تراکمی بیشتر است که علت اصلی آنضریب عملکرد پایینِ چیلرهای جذبی می باشد.

امابا توجه به اینکه جنس انرژی مصرفی در چیلرهای جذبی و تراکمی با یکدیگر متفاوت است؛می بایست ظرفیتی را بعنوان نمونه در نظر بگیریم تا بتوانیم اختلاف هزینه های مصرفانرژی را در چیلرهای جذبی و تراکمی (هواخنک و آب خنک) با یکدیگر مقایسه کنیم. بافرض 180 تن تبرید ظرفیت برودتی، شرایط اقلیمیِ شهر تهران و 14 ساعت زمان کارکردچیلر، مقایسه را انجام می دهیم.

محاسبات انرژی مصرفی در چیلر جذبی دو اثره (شعله مستقیم) به ظرفیت برودتی 180 تن تبرید :

با استناد به کاتالوگ کمپانی هیتاچی HITACHI:

·       دبیآب در گردشِ برج خنک کننده: 182.1 مترمکعب بر ساعت / در نتیجه، ظرفیت برودتی برجخنک کننده -(با در نظر گرفتن 5 درجۀ سانتی گراد، اختلاف دمای ورودی و خروجیِ آببرج) برابر است با: 300 تن تبرید

·       مصرفبرق الکتروفنِ برج (با توجه به کاتالوگ شرکت های سازنده): 7.5kW

·       مصرفبرق در پمپ سیرکولاسیون آبِ برج: 30kW

·       گازمصرفی در ژنراتور: 446kW / ارزشحرارتی گاز طبیعیِ تهران (بر اساس محاسبات وزارت نیرو در سال 1391): 8763کیلوکالری بر مترمکعب / در نتیجه، دبی گاز مصرفی: 8/43 مترمکعب بر ساعت

·       برقمصرفی در پمپ محلول: 4.4kW

·       برقمصرفی در پمپ مبرد: 0.4kW

·       برقمصرفی در پمپ سیستم تخلیه: 0.4kW

·       برقمصرفی در فن مشعل: 0.75kW

بنابراین،در یک چیلر جذبی دو اثره (شعله مستقیم) به ظرفیت برودتی 180 تن تبرید:

·        کلمصرف برق روزانه: kW.hr = 43.45*14608.3

·        کلمصرف گاز روزانه: 613.2 متر مکعب

محاسباتانرژی مصرفی در چیلر تراکمی آب خنک به ظرفیت برودتی 180 تن تبرید :

با استناد به خروجی نرم افزار BITZER برای انتخاب کمپرسور چیلر آب خنک:

·       برقمصرفی کمپرسورها: 72.1×2=144.2kW

·       ظرفیتبرودتی کندانسور (ظرفیت برودتی برج خنک کننده) برابر است با: 388×2=776kW/

·       مصرفبرق الکتروفنِ برج (با توجه به کاتالوگ شرکت های سازنده): 5.5kW/ مصرف برق در پمپ سیرکولاسیون آبِ برج: 22.5kW

·       بنابراین،در یک چیلر تراکمی آب خنک به ظرفیت برودتی 180 تن تبرید:

·       کلمصرف برق روزانه: 172.2×14=2410.8kW.hr

با توجه به محاسبات فوق، مصرف گاز و برق چیلرهای تراکمی و جذبیدر نمودار زیر نشان داده شده است.

اکنون می توانیم با توجه به میزان بهای برق و گاز، اختلافهزینه های مصرف انرژی را محاسبه کنیم:

·        میانگین هزینۀ مصرف برق درفصل گرم سال: 1000 ریال به ازای هر کیلووات ساعت

·        میانگین هزینۀ مصرف گاز درفصل گرم سال: 4300 ریال به ازای هر مترمکعب

بنابراین، همانطور کهمشاهده می کنید، هزینۀ مصرف انرژی در چیلرهای جذبی نه تنها کمتر نیست، بلکه خصوصاًنسبت به چیلرهای تراکمی آب خنک بیشتر هم می باشد و این در حالی است که:

·        هزینۀ مصرف انرژی درچیلرهای جذبی تک اثره به مراتب بیشتر است.

·        با بکارگیری سیستم هایکنترلی هوشمند (کنترل کارکرد کمپرسورها و الکتروفن های کندانسور هواخنک بر اساس نوساناتبار برودتی و دمای خشک محیط) و نیز به کمک سیستم ذخیره سازی انرژی یخ (آیس بانک) تا میزان قابل توجهی می توان مصرف برقِ چیلرهایتراکمی را بهینه سازی نمود.

·        در پروژه هایی که انرژیگرمایی مازاد (تلف شده) وجود دارد (مثل بعضی از کارخانه ها)، استفاده از چیلرهایجذبی می تواند به لحاظ بهای انرژی مصرفی، توجیه اقتصادی داشته باشد.

مقایسه هزینه خرید و سرمایه گذاری اولیه :

هزینۀ خرید و سرمایه گذاریاولیه برای بکارگیریِ چیلرهای جذبی در مقایسه با چیلرهای تراکمی (بویژه آب خنک)بسیار سنگین تر است. بطوریکه تقریباً می توان گفت، هزینه های اولیه در چیلرهایجذبی غیر شعله مستقیم، 50 درصد و در چیلرهای جذبی شعله مستقیم نزدیک به 100 درصدنسبت به چیلرهای تراکمی آب خنک در ظرفیت های مشابه (خصوصاً ظرفیت های پایین)،بیشتر هستند. ضمن آنکه باید توجه داشت، علاوه بر خرید دستگاه، هزینۀ حمل و نقل،نصب و راه اندازی، ساخت شاسی و فونداسیون و نیز آماده کردن فضایی بعنوان موتورخانهاز جمله مصداق های هزینۀ اولیه بشمار می روند که همگی در چیلرهای جذبی به مراتب بیشترند.

سوزاندنسوخت های فسیلی جهت تأمین منبع گرماییِ ژنراتور در چیلرهای جذبی، علاوه بر انتشارمواد آلایندۀ بسیار در محیط زیست، می تواند هزینۀ مضاعفی را بواسطۀ تبدیل سوخت(بویلرها، پمپ ها، خطوط انتقال، تجهیزات جانبیِ سیستم بخار و …)، به مجموع هزینه هایاولیۀ پروژه نیز تحمیل کند.

مقایسه  هزینه های تعیرات و سرویس نگهداری :

هزینه های سرویسو نگهداریِ چیلرهای جذبی بعلت وجود تجهیزات بیشتر، بزرگتر و حساس­­تر به مراتب درمقایسه با چیلرهای تراکمی (بخصوص هواخنک) بالاتر است. از جمله حساسیت های فرایندسرویس و نگهداری در چیلرهای جذبی، ناشی از وجود فشار منفی (خلاء) در سیستم میباشد؛ زیرا لیتیوم بروماید بعنوان مادۀ جاذب و یا آمونیاک بعنوان مادۀ مبرد، خاصیتخورندگی داشته و در صورت نشتی و ورود هوا به داخل سیستم، روند خوردگی لوله ­ها وتعدادی از قطعات با شدت بیشتری آغاز شده و ادامه می یابد.

هزینۀ شارژ مجددلیتیوم بروماید در مقایسه با هزینۀ شارژ گاز مبرد در چیلرهای تراکمی، بسیار بیشترخواهد بود. نکتۀ مهم این است که لیتیوم بروماید پس از چند سال کارکرد دستگاه، میبایست تخلیه و تصفیه شود و دوباره با مقداری لیتیوم بروماید جدید به داخل چیلرتزریق گردد. در حالی که در چیلرهای تراکمی تا مادامی که نشتی اتفاق نیفتد، نیاز بهشارژ مجدد مبرد نخواهد بود.

تفاوت میزان ایمنی بهره برداری در چیلرهای تراکمی و جذبی :

اغلبچیلرهای تراکمی (خصوصاً در ظرفیت های برودتی بالا)، حداقل دارای دو مدار برودتیمجزا هستند که همین موضوع قابلیت اطمینان سیستم را به لحاظ بهره برداری دو چندانمی کند؛ چراکه در صورت خرابی یک مدار و یا نیاز آن به سرویس، هنوز 50 درصد ظرفیتبرودتیِ دستگاه قابل دسترسی خواهد بود. در حالی که در چیلرهای جذبی، اساساً یکمدار برودتی تعریف می شود و خرابی یا سرویس دستگاه، بمنزلۀ غیر فعال شدنِ کاملسیستم برودتی می باشد.

علاوهبر این، قطع برق ساختمان برای یک مدت طولانی که به معنای عدم جذب گرما دراواپراتور چیلر بوده، می تواند منجر به کریستاله شدن لیتیوم بروماید در چیلرهایجذبی شود. بنابراین، به نظر می رسد که در صورت استفاده از چیلرهای جذبی در پروژههایی که احتمال قطع طولانی مدتِ برق وجود دارد، استفاده از سیستم پشتیبانی (برقاضطراری) در ساختمان ضروری باشد. هرچند که به دلیل مصرف برقِ پایین چیلرهای جذبی،نیاز به ژنراتورِ برق بزرگی نخواهد بود. در مورد چیلرهای تراکمی، قطعی برق ساختماننمی تواند آسیبی به دستگاه وارد کند، اما برای امکان بهره برداری از آنها در زمان قطعی برق به ژنراتورهای بزرگتری نیاز می باشد.

مقایسه طول عمر مفید چیلر های تراکمی و جذبی :

لیتیومبروماید که معمولاً بعنوان مادۀ جاذب در چیلرهای جذبی مورد استفاده قرار می گیرد،در واقع نوعی نمک مایع است و همانطور که گفته شد، در صورت نشتی و ورود هوا به داخلسیستم (بعلت فشار منفی) موادی اسیدی تشکیل داده که باعث خوردگی شدید قطعات به ویژهقطعات فولادی می شود و به چیلر آسیبی جدی وارد می کند. هرچند که در شرایط عادی نیزلیتیوم بروماید ماهیتاً خاصیت خورندگی دارد و همین موضوع می تواند باعث کاهش طولعمر مفید چیلرهای جذبی شود. این در حالی است که در چیلرهای تراکمی، مبرد در تمامیفرایندها فشار مثبت (بالای یک اتمسفر) داشته و اساساً امکان ورود هوا به داخل خطتبرید وجود ندارد. اما، در صورت سوختن کمپرسور (که احتمال ضعیفی دارد) ممکن استجریان مبرد اسیدی شده و منجر به خوردگی سطوح مسی گردد.

درآن دسته از چیلرهای جذبی که از آب بعنوان مادۀ جاذب استفاده می شود، این بار مادۀمبرد، یعنی آمونیاک است که خاصیت خورندگی داشته و با ورود هوا به داخل سیستم، باعث خوردگی سطوح مسی می شود.

رسوب گذاری در کندانسور نیزمی تواند یکی دیگر از عوامل کاهش طول عمر مفید چیلرها باشد. به دلیل گردش آب بیشتردر چیلرهای جذبی نسبت به چیلرهای تراکمی آب خنک، شدت رسوب گذاریِ کندانسور بمراتببیشتر است.

در چیلرهای تراکمی، معمولاً اولین قسمتی که نیاز به تعمیر و یا تعویض دارد، کمپرسور است. کمپرسورها به دلیل اینکه قطعات متحرک زیادی دارند، طول عمر کمتری نسبت به اجزای دیگر چیلرهای تراکمیخواهند داشت. بر اساس آماری که ASHRAE ارائه کرده، عمر مفید کمپرسورهای پیستونی نزدیک به 20 سال می باشد کهالبته کمپرسورهای اسکرو به دلیل ساختار مکانیکی ساده تر، طول عمر بیشتری در مقایسهبا آنها دارند. در همین آمار اعلام شده، عمر مفید چیلرهای جذبی 23 سال تخمین زدهشده است. اما حقیقت آن است که طول عمر مفید چیلرها به پارامترهای متعددی از جمله:کیفیت طراحی و تولید دستگاه، برند قطعات و تجهیزات بکاررفته در ساخت، نحوۀ بهرهبرداری، کیفیت سرویس و نگهداری و عوامل دیگر بستگی داشته و اساساً نمی توان آماردقیقی از طول عمر مفید یک دستگاه چیلر ارائه نمود.

مقایسه ابعاد و وزن چیلر ای تراکمی و جذبی :

با اضافه شدن ژنراتور،محفظۀ جاذب و سایر تجهیزات جانبی، ابعاد چیلرهای جذبی در ظرفیت های مشابه نزدیک به5/1 تا 2 برابر چیلرهای تراکمیِ آب خنک می باشد؛ بنابراین، در صورت استفاده ازچیلر جذبی به موتورخانۀ بزرگتری نیاز داریم. ضمن آنکه با توجه به ارتفاع زیادآنها، می بایست ارتفاع موتورخانه بین 2 تا 3 متر بیشتر باشد.

بعلاوه، وزن چیلرهای جذبی،تقریباً دو برابر چیلرهای تراکمیِ آب خنک در ظرفیت های یکسان می باشد که این موضوعبمنزلۀ نیاز به زیرسازی و شاسی با استحکامی بیشتر برای جایگذاری دستگاه خواهد بود

ابعاد و وزن چیلرهای تراکمی هواخنک در مقایسه با چیلرهای جذبیمی تواند کمتر، برابر یا بیشتر باشد. بطوری که هرچه ظرفیت برودتی دستگاه بیشتر باشد،می توان گفت ابعاد و وزن چیلرهای تراکمی هواخنک نسبت به چیلرهای جذبی بیشتر خواهندبود.

بررسی امکان تولید آب سرد در چیلر های تراکمی و جذبی :

تولید آب سردتر از 7 درجۀ سانتی گراد در چیلرهای تراکمی،بسادگی و بعضاً با انتخاب مبرد و کمپرسورهای مخصوص، امکان پذیر خواهد بود. چنانکهحتی می توان به کمک چیلرهای تراکمی آب خنک، تا 40- درجۀ سانتی گراد آب سرد تولیدنمود. اما این در حالی است که در چیلرهای جذبی، بعلت احتمال وقوع پدیدۀکریستالیزاسیون (کریستاله شدن محلول) که در اثر کاهش دمای محلول و افرایش غلظت آنبروز می کند، تولید آب سردتر از شرایط تهویه مطبوع (7 درجۀ سانتی گراد)، توصیه نمیشود. هرچند که شرکت های سازنده با بکارگیری سیستم های کنترلی هوشمند، تا حدودی ازایجاد چنین مشکلی جلوگیری کرده اند، اما با این وجود استفاده از چیلر جذبی برایتولید آب خیلی سرد، نمی تواند انتخاب مناسبی باشد.

نتیجه گیری انتخاب چیلر تراکمی یا جذبی :

همانطور که مشاهده کردید، پارامترهای متعددی در مقایسۀ کارکردچیلرهای تراکمی و جذبی دخیل هستند و عملکرد آنها را می توان از زوایای متفاوتیمورد بررسی قرار داد. از طرفی باید توجه داشت که شرایط خاص پروژه می تواند درنتیجه گیری ما مؤثر باشد. البته آنچه که این روزها در کشور شاهدش هستیم این است کهدر غالب پروژه ها، حتی پروژه های بسیار بزرگ، چیلرهای تراکمی اولویت اول برایانتخاب می باشند. خصوصاً آنکه با پیشرفت روزافزون سیستم های کنترلی و همچنین باوجود بهره گرفتن از ایده هایی مثل سیستم ذخیره سازی یخ (آیس بانک)، می توان هزینههای تأمین و مصرف برق را در چیلرهای تراکمی به حداقل رساند. بنابراین با توجه بهبرایند مقایسه هایی که انجام شد، به نظر می رسد جز در مواردی بسیار محدود، استفادهاز چیلر تراکمی مناسب ترین انتخاب ممکن باشد.