مطالعه‌ی ترمواقتصادی استفاده از چیلر جذبی برای بازیافت حرارت اتلافی از نیروگاه بخار

تحصيلات تکميلي

پايان نامه کارشناسي ارشد دررشته‌ی مهندسی مکانیک گرایش تبدیل انرژی

عنوان:

مطالعه‌ی ترمواقتصادی استفاده از چیلر جذبی برای بازیافت حرارت اتلافی از نیروگاه بخار

چکیده

در این پایان‌نامه به مطالعه‌ی ترمواقتصادی چیلر جذبی برای بازیافت حرارت اتلافی گاز‌های یک نیروگاه بخار پرداخته شده است. جهت این امر چیلر جذبی تک‌اثره و دو‌اثره مورد مطالعه قرار گرفته است. معادلات حاکم بر مسأله شامل بقای جرم، بالانس انرژی و بالانس اکسرژی برای اجزاء مختلف سیکل چیلر جذبی تک‌اثره و دو‌اثره می‌باشد. سیال عامل سیکل تبرید مورد مطالعه محلول لیتیوم برماید – آب (LiBr-Water) می‌باشد. معادلات حاکم بر مسأله یک دستگاه از معادلات جبری غیر‌خطی را تشکیل می‌دهند که توسط نرم‌افزار حل معادلات مهندسی (EES) حل شده‌اند. محاسبات لازم برای طراحی مبدل جهت بازیافت گرما از گازهای اتلافی نیروگاه بخار توسط نرم‌افزار ASPEN صورت گرفته‌ است. اعتبار‌سنجی نتایج شبیه‌سازی تحقیق حاضر برای سیکل ترمودینامیکی چیلر جذبی تک‌اثره و دو‌اثره با داده‌های تئوری تحقیقات گذشته انجام شده که در توافق خوبی با داده‌های تئوری تحقیقات گذشته می‌باشد. نتایج مطالعه تحقیق حاضر نشان می‌دهد که مشابه مراجع گذشته محدوده‌ی تغییرات ضریب عملکرد چیلر جذبی تک‌اثره ۷۵/۰-۶۵/۰ می‌باشد در صورتی‌که محدوه‌ی تغییرات ضریب عملکرد چیلرهای جذبی دو‌اثره ۲۵/۱-۹۵/۰ است، بنابراین استفاده از چیلرهای جذبی دو‌اثره به‌علت ضریب عملکرد بالا نسبت به چیلر‌های تک‌اثره بهتر می‌باشد. محدوده‌ی تغییرات راندمان اکسرژی چیلر‌های جذبی تک‌اثره ۲۷-۱۸ درصد و برای چیلرهای جذبی دو‌اثره ۲۸-۱۶ درصد می‌باشد. سیستم طراحی شده برای تحقیق حاضر در مقایسه با هزینه‌های چیلر جذبی تک‌اثره آب داغ از سال دوم به بعد صرفه‌ی اقتصادی دارد. ضریب عملکرد چیلر جذبی تک‌اثره و دو‌اثره با افزایش دمای اواپراتور و کندانسور در دمای ژنراتور یکسان به ترتیب افزایش و کاهش و با افزایش دمای ابزوربر در دمای کندانسور یکسان کاهش می‌یابد. با افزایش دمای اواپراتور و کندانسور در چیلرهای جذبی تک‌اثره و دو‌اثره در دمای ژنراتور یکسان راندمان اکسرژی کاهش و همچنین با افزایش دمای ابزوربر در دمای کندانسور یکسان راندمان اکسرژی چیلرهای جذبی تک‌اثره و دو‌اثره کاهش می‌یابد. بیشترین بازگشت‌ناپذیری در چیلرهای جذبی تک‌اثره متعلق به ژنراتور و سپس ابزوربر و در چیلرهای جذبی دو‌اثره مربوط به ابزوربر می‌باشد.

کلمات کلیدی: سیستم تبرید جذبی – بازیاب اتلاف حرارتی – تحلیل انرژی، تحلیل اکسرژی، تحلیل اقتصادی

فهرست مطالب

عنوان صفحه

فصلاول: اهمیتوکاربردموضوع. ۱

۱-۱-مقدمه. ۲

۱-۲- نحوه‌یکارواجزاءاصلی سیستم‌های تبریدجذبی. ۳

۱-۳- انواع چیلر‌های جذبی. ۳

۱-۳-۱- انواعچیلربراساسزوججاذب – مبرد ۴

۱-۳-۱-۱- چیلرهایجذبیلیتیمبرماید–آب.. ۴

۱-۳-۱-۲- چیلر‌هایجذبیآب–آمونیاک.. ۵

۱-۳-۲- چیلر‌هایجذبیبراساسنوعطراحی. ۶

۱-۳-۲-۱- چیلر‌هایجذبیتک‌اثره ۷

۱-۳-۲-۲- چیلر‌هایجذبیدو‌اثره ۸

۱-۳-۲-۳- مقایسه‌یچیلر‌هایجذبیتک‌اثرهودو‌اثره ۱۰

۱-۳-۳- چیلر‌هایجذبیبراساسمنبعگرمایی. ۱۰

۱-۳-۴- چیلر‌هایجذبیبراساسسیستمخنککننده ۱۱

۱-۴- مبدل‌هایحرارتی. ۱۱

۱-۴- ۱-مبدل‌هایحرارتیازنظرانتقالگرماویابازیابیگرما ۱۲

۱-۴-۱-۱-مبدل‌هایحرارتینوعانتقالگرما ۱۲

۱-۴-۱-۲-مبدل‌هایحرارتینوعبازیابگرما ۱۲

۱-۴-۲-مبدل‌هایحرارتیازنظرفرآیندانتقال. ۱۲

۱-۴-۲-۱-مبدل‌هایحرارتینوعتماسمستقیم ۱۲

۱-۴-۲-۲-مبدل‌هایحرارتینوعتماسغیرمستقیم ۱۳

۱-۴-۳-مبدل‌هایحرارتیازنظرهندسه‌یساختار. ۱۳

۱-۴-۴-مبدل‌هایحرارتیازنظرمکانیزمانتقالگرما ۱۳

۱-۴-۵-مبدل‌هایحرارتیازنظرآرایشجریان‌هایگرموسرد ۱۴

۱-۴-۵-۱- مبدل‌هایحرارتیازنوعجریانهمسو. ۱۴

۱-۴-۵-۲- مبدل‌هایحرارتیازنوعجریانغیرهمسو. ۱۴

۱-۴-۵-۳- مبدل‌هایحرارتیازنوعجریانعمودبرهم ۱۵

۱-۵-مبدل‌هایحرارتیپوستهولوله. ۱۵

۱-۵-۱-مبدل‌هایحرارتیصفحه‌یلولهثابت.. ۱۷

۱-۵-۲-مبدل‌هایحرارتیUشکل‌ ۱۹

۱-۵-۳-مبدل‌هایحرارتییکسرشناور. ۲۰

۱-۶-اجزایمبدل‌هایحرارتیپوسته–لوله. ۲۱

۱-۶-۱-لوله. ۲۱

۱-۶-۲-صفحهجداکننده‌یگذرلوله. ۲۱

۱-۷-تعیینسمتپوستهویالولهبرایجریان‌ها ۲۵

۱-۸-جمع‌بندی.. ۲۶

فصلدوم: مروریبرپژوهش‌هایگذشته. ۲۷

۲-۱-مروریبرپژوهش‌هایگذشته. ۲۸

۲-۲- نوآوریپژوهشحاضر. ۴۷

۲-۳-اهداف.. ۴۷

فصلسوم: معادلاتحاکم. ۴۸

۳-۱-تعريفمسئله. ۴۹

۳-۲-فرض‌هایبهکاررفتهدرشبیه‌سازیوتحلیلچیلرهایجذبی. ۴۹

۳-۳-معادلاتحاکمبرشبیه‌سازیترمودینامیکیچیلرجذبیتک‌اثره ۵۰

۳-۳-۱- معادلاتحاکمبرایتحلیلانرژیچیلرجذبیتک‌اثره ۵۱

۳-۳-۲-تحلیلاکسرژیچیلرجذبیتک‌اثره ۵۴

۳-۳-۲-۱-اکسرژیفیزیکیمحلول. ۵۵

۳-۴-معادلاتحاکمبرشبیه‌سازیترمودینامیکیچیلرجذبیدو‌اثره ۵۶

۳-۴-۱-تحلیلاکسرژیچیلرجذبیدو‌اثره ۶۰

۳-۵-بازیابحرارتاتلافیبویلرنیروگاهحرارتی. ۶۱

۳-۵-۱- گازهایخروجیازدودکشنیروگاهبخار. ۶۱

۳-۵-۲- فرستادنمستقیمگازخروجیازدودکشبهداخللوله‌هایژنراتور. ۶۲

۳-۵-۳- فرستادنگازخروجیازدودکشبهداخلمبدلحرارتیوتأمینآبداغبرایژنراتور. ۶۳

۳-۵-۳-۱- معادلاتحاکممبدل‌هایحرارتیپوسته-لوله. ۶۴

۳-۵-۳-۲- هزینه‌هایمربوطبهچرخه‌یتأمینآبداغ. ۶۵

۳-۶- استراتژیتحلیلاقتصادیدرپژوهشحاضر. ۶۶

۳-۷- جمع‌بندی.. ۶۷

فصلچهارم: بررسینتایج. ۶۸

۴-۱-مقدمه. ۶۹

۴-۲-الگوریتمحلچیلرهایجذبی. ۶۹

۴-۳-اعتبارسنجیشبیه‌سازیترمودینامیکیسیکلجذبیتک‌اثره ۷۰

۴-۴-اعتبارسنجینتایجشبیه‌سازیترمودینامیکیسیکلجذبیدو‌اثره ۷۱

۴-۵-طراحیمبدلبرایچیلرهایجذبی. ۷۴

۴-۶-نتایجمربوطبهطراحیمبدل. ۷۵

۴-۷-پارامترهایطراحیورودیبرایچیلرهایجذبی. ۷۶

۴-۷-۱-تأثیرپارامترهایمختلفطراحیبرضریبعملکرد،راندماناکسرژیوبازگشت‌ناپذیریچیلرهایجذبیتک‌اثره ۷۶

۴-۷-۲-تأثیرپارامترهایمختلفطراحیبرضریبعملکرد،راندماناکسرژیوبازگشت‌ناپذیریچیلرهایجذبیدواثره ۸۶

۴-۸- براوردهزینه‌هایمربوطبهچرخه‌یتأمینآبداغچیلرجذبیتک‌اثره ۹۷

۴-۹- نتیجه‌گیری.. ۹۹

۴-۱۰- ارائه‌یپیشنهاداتبرایادامه‌یکار. ۱۰۰

مراجع. ۱۰۱

پيوست (الف) ۱۰۴

جزئیاتمربوطبهطراحیمبدل. ۱۰۴

فهرست اشکال

عنوان شکل صفحه

شكل ۱-۱٫نمایخارجییکچیلرجذبیتک‌اثره [۲] ۷

شکل ۱-۲٫ سیکلترمودینامیکیطیشدهدرچیلرجذبیتک‌اثره [۲] ۸

شکل ۱-۳٫ سیکلترمودینامیکیطیشدهدرچیلرجذبیدو‌اثره [۲] ۹

شکل ۱-۴٫ ساختارشماتیکیکمبدلحرارتیپوستهولوله [۳] ۱۵

شکل ۱-۵٫ انواعپوستهوهد‌هایابتداییوانتهاییمبدل‌هایحرارتیپوسته–لولهطبقاستانداردTEMA [3] 18

شکل ۱-۶٫ مبدل‌هایحرارتیصفحه‌یلولهثابت [3] 19

شکل ۱-۷٫ مبدلحرارتیUشکل [۳] ۱۹

شکل ۱-۸٫ مبدلحرارتییکسرشناور[۳] ۲۱

شکل ۱-۹٫ انواعبافل‌هاییک‌تکه،دو‌تکهوسهتکه [۳] ۲۵

شکل ۲-۱٫ مدلمورداستفادهبرایشبیه‌سازیتحقیقکئولاروهمکاران [۵] ۲۸

شکل ۲-۲٫ سیستمجذبیخورشیدیتحقیققدروهمکاران [۶] ۲۹

شکل ۲-۳٫ سیکلچیلرجذبیبابه‌کاربردنگازاتلافی [۷] ۳۰

شکل ۲-۴٫ جریانانرژیدرمجموعه‌یمیکروتوربینوچیلرجذبی [۸] ۳۱

شکل ۲-۵٫ شماتیکچیلرجذبیدو‌اثرهبرایتحلیلاکسرژیاقتصادی[۹] ۳۲

شکل ۲-۶٫ ساختارساده‌شده‌یسیستمسرمایشنصب‌شدهدرنیروگاهپوزنان[۱۱] ۳۳

شکل ۲-۷٫ شماتیکچیلرجذبیموردمطالعه‌یکایناکلیوکیلیک [۱۲] ۳۴

شکل ۲-۸٫ شماتیکچیلرجذبیتک‌اثرهموردمطالعه‌یکیلیکوکایناکلی [۱۳] ۳۵

شکل ۲-۹٫ شماتیکچیلرجذبیدو‌اثرهموردمطالعه‌یگمریوحکیمی [۱۴] ۳۶

شکل ۲-۱۰٫ شماتیکچیلرجذبیتک‌اثرهموردمطالعه‌یگمری [۱۵] ۳۷

شکل ۲-۱۱٫ a) شماتیکچیلرجذبیتک‌اثرهb) شماتیکچیلرجذبیدو‌اثرهسریموردمطالعه‌یکوشیکوآرورا [۱۶] ۳۸

شکل ۲-۱۲٫ a) حجمکنترلمربوطبهتحلیلترمودینامیکیسیستمتک‌اثرهb) حجمکنترلمربوطبهتحلیلترمودینامیکیسیستمدو‌اثرهموردمطالعه‌یپالاسیوسوهمکاران [۱۷] ۳۹

شکل ۲-۱۳٫ سیستمتبریدجذبیدو‌اثرهa) جریانسریb) جریانموازیc) جریانموازیمعکوسموردمطالعه‌یگروسیفرشیوهمکاران [۱۸] ۴۰

شکل ۲-۱۴٫ شماتیکسیستمتبریدجذبیتک‌اثرهموردمطالعه‌یمیاتوهمکاران [۱۹] ۴۱

شکل ۲-۱۵٫ دیاگرامa) پیکربندی ۱ b) پیکربندی ۲ c) پیکربندی ۳ d) پیکربندی ۴ موردمطالعه‌یصیفوریوعامری[۲۰] ۴۲

شکل ۲-۱۶٫ شماتیکیککولرتبخیریویکسیستمتبریدجذبیتک‌اثره‌یلیتیومبرماید–آببرایسرمایشهوایورودیبهکمپرسورتوربینبخاردریکنیروگاهنفتوگاز [۲۱] ۴۴

شکل ۲-۱۷٫ شماتیکسیستمتبریدجذبیتک‌اثرهموردمطالعه‌یچیگائووزید [۲۳] ۴۵

شکل ۲-۱۸٫ چیلرجذبیدو‌اثره‌باجریانسریموردمطالعه‌یکایناکلیوهمکاران [۲۴] ۴۶

شکل ۲-۱۹٫ شماتیکچیلرجذبیبههمراهگردآورنده‌هایخورشیدی [۲۵] ۴۷

شکل ۳-۱٫ شماتیککلیچیلرجذبیتک‌اثرهآبخنک ‌ ۵۰

شکل ۳-۲٫ شماتیککلیچیلرجذبیدو‌اثرهآبخنک ‌ ۵۷

شکل ۳-۳٫ چرخه‌یتأمینآبداغموردنیازبرایژنراتورچیلرجذبیتک‌اثره ۶۳

شکل ۴-۱٫ ضریبعملکردچیلرجذبیتک‌اثرهبرحسبدمایژنراتوربه‌ازایمقادیرمختلفدمایاواپراتور. ۷۷

شکل ۴-۲٫ ضریبعملکردچیلرجذبیتک‌اثرهبرحسبدمایژنراتوربه‌ازایمقادیرمختلفدمایکندانسور. ۷۸

شکل ۴-۳٫ ضریبعملکردچیلرجذبیتک‌اثرهبرحسبدمایکندانسوربه‌ازایمقادیرمختلفدمایابزوربر. ۷۹

شکل ۴-۴٫ راندماناکسرژیچیلرجذبیتک‌اثرهبرحسبدمایژنراتوربه‌ازایمقادیرمختلفدمایکندانسور. ۸۰

شکل ۴-۵٫ راندماناکسرژیچیلرجذبیتک‌اثرهبرحسبدمایژنراتوربه‌ازایمقادیرمختلفدمایاواپراتور. ۸۱

شکل ۴-۶٫ راندماناکسرژیچیلرجذبیتک‌اثرهبرحسبدمایکندانسوربه‌ازایمقادیرمختلفدمایابزوربر. ۸۲

شکل ۴-۷٫ بازگشت‌ناپذیریاجزاءاصلیچیلرجذبیتک‌اثرهبه‌ازایمقادیرمختلفدمایاواپراتور. ۸۳

شکل ۴-۸٫ بازگشت‌ناپذیریاجزاءاصلیچیلرجذبیتک‌اثرهبه‌ازایمقادیرمختلفدمایژنراتور. ۸۴

شکل ۴-۹٫ بازگشت‌ناپذیریاجزاءاصلیچیلرجذبیتک‌اثرهبه‌ازایمقادیرمختلفدمایابزوربر. ۸۵

شکل ۴-۱۰٫ بازگشت‌ناپذیریاجزاءاصلیچیلرجذبیتک‌اثرهبه‌ازایمقادیرمختلفدمایکندانسور. ۸۶

شکل ۴-۱۱٫ ضریبعملکردچیلرجذبیدو‌اثرهبرحسبدمایژنراتوربه‌ازایمقادیرمختلفدمایاواپراتور. ۸۷

شکل ۴-۱۲٫ ضریبعملکردچیلرجذبیدو‌اثرهبرحسبدمایژنراتوربه‌ازایمقادیرمختلفدمایکندانسور. ۸۸

شکل ۴-۱۳٫ ضریبعملکردچیلرجذبیدو‌اثرهبرحسبدمایکندانسوربه‌ازایمقادیرمختلفدمایابزوربر. ۸۹

شکل ۴-۱۴٫ راندماناکسرژیچیلرجذبیدو‌اثرهبرحسبدمایژنراتوربه‌ازایمقادیرمختلفدمایاواپراتور. ۹۰

شکل ۴-۱۵٫ راندماناکسرژیچیلرجذبیدو‌اثرهبرحسبدمایژنراتوربه‌ازایمقادیرمختلفدمایکندانسور. ۹۱

شکل ۴-۱۶٫ راندماناکسرژیچیلرجذبیدو‌اثرهبرحسبدمایکندانسوربه‌ازایمقادیرمختلفدمایابزوربر. ۹۲

شکل ۴-۱۷٫ بازگشت‌ناپذیریاجزاءاصلیچیلرجذبیدو‌اثرهبه‌ازایمقادیرمختلفدمایاواپراتور. ۹۳

شکل ۴-۱۸٫ بازگشت‌ناپذیریاجزاءاصلیچیلرجذبیدو‌اثرهبه‌ازایمقادیرمختلفدمایژنراتورفشاربالا. ۹۴

شکل ۴-۱۹٫ بازگشت‌ناپذیریاجزاءاصلیچیلرجذبیدو‌اثرهبه‌ازایمقادیرمختلفدمایابزوربر. ۹۵

شکل ۴-۲۰٫ بازگشت‌ناپذیریاجزاءاصلیچیلرجذبیدو‌اثرهبه‌ازایمقادیرمختلفدمایکندانسور. ۹۶

شکلالف-۱٫ مبدل‌هایطراحیشدهدرنرم‌افزارAspen HTFS+ Design System.. 104

شکلالف-۲٫ مقادیرواندازه‌یبافل‌ها ۱۰۵

شکلالف-۳٫ مقادیرواندازه‌یلوله‌ها ۱۰۵

شکلالف-۴٫ مقادیرقطرداخلی،قطرخارجیپوستهونازل‌هایورودیوخارجیپوستهولوله. ۱۰۶

شکلالف-۵٫ استانداردTEMAمبدلطراحی‌شده ۱۰۸

شکلالف-۶٫ شماتیکمبدلطراحی‌شدهبه‌همراهاندازه‌ها ۱۰۹

شکلالف-۷٫ نمایداخلیصفحهلولهبه‌همراهنحوه‌یآرایشلوله‌ها ۱۰۹

فهرست جداول

عنوان جدول صفحه

جدول ۳-۱٫ درصدمولياجزايهوادرشرايط (و) ۶۱

جدول ۳-۲٫ درصدمولیاجزایگازطبیعیبویلرها ۶۲

جدول ۴-۱ . اعتبارسنجینتایجشبیه‌سازیترمودینامیکیسیکلجذبیتکاثره ۷۱

جدول ۴-۲٫ اعتبارسنجیدما،دبیوغلظتنقاطمختلفسیکلچیلرجذبیدواثره ۷۲

جدول ۴-۳٫ اعتبارسنجینتایجحاصلازتحلیلانرژیسیکلجذبیدواثره ۷۳

جدول ۴-۴٫ اعتبارسنجینتایجحاصلازتحلیلاکسرژیسیکلجذبیدواثره ۷۴

جدول ۴-۵ . هزینه‌یبرقمصرفیدربخشصنعت.. ۹۷

جدول ۴-۶٫ هزینه‌هایمربوطبهتآمینآبداغچیلرجذبیتک‌اثره ۹۷

جدول ۴-۷٫ هزینه‌هایخریدچیلرجذبیآبداغتک‌اثره ۹۸

فهرست علائم

علامت	نشانه
	مساحت
	گرمای ویژه در فشار ثابت
	ضریب عملکرد
	قطر
	بازده مبدل حرارتی
	ضریب اصطکاک
	نرخ جرمی جریان سمت پوسته
	آنتالپی
	بازگشت‌ناپذیری
	طول مؤثرلوله مبدل بین صفحه‌ی لوله‌ها
	دبی جرمی
	تعداد دیوارک‌ها در مبدل
	تعداد گذر‌های لوله
	تعداد واحد‌های انتقال حرارت
	فشار
	نرخ انتقال حرارت
	عدد رینولدز
	مقاومترسوب سمت لوله بر مبنای سطح داخلی لوله‌ها
	مقاومترسوب سمت پوسته بر مبنای سطح خارجی لوله‌ها
	آنتروپی
	درجه حرارت
	ضریب انتقال حرارت کلی
	نرخ کار
	غلظت لیتیوم برماید در محلول
علائم یونانی
	بازده مبدل حرارتی
	ضریب تصحیح لزجت
	راندمان
	لزجت دینامیکی
	حجم مخصوص
	چگالی
زیر‌نویس‌
	واقعی
	ابزوربر
	کندانسور
	جریان سرد
	داده‌های تجربی
	اواپراتور
	ژنراتور
	گاز
	ژنراتور فشار بالا
	جریان گرم
	گرم‌کن
	ورودی به حجم کنترل
	ژنراتور فشار پایین
	ماکزیمم
	خروجی از حجم کنترل
	فیزیکی
	فشار
	مبرد، فضایی که باید سرد شود
	شیر فشار‌شکن مبرد
	داده‌های شبیه‌سازی
	محلول قوی
	شیر فشار‌شکن محلول
	محلول
	مبدل حرارتی محلول
	محلول ضعیف
	دیوار
	آب

فصل اول

اهمیت و کاربرد موضوع

۱-۱-مقدمه

از آن‌جایی‌که انسان بخش عمده‌ای از وقت خود را در محیط بسته (چه منزل و چه محیط کار) قرار دارد، تأمین شرایط آسایش حرارتی از نیازهای اصلی اوست. آماده‌سازی این شرایط حرارتی ذهن اندیشمندان زیادی را به خود مشغول کرده است. یکی از سیستم‌های مربوط به سرمایش و تهویه مطبوع چیلر جذبی است.همچنین سیستم‌های مربوط به تبرید و سرد‌خانه امروزه در صنایع غذایی، نفت، پتروشیمی و … به علت نیاز به دمای پایین از اهمیت زیادی برخوردار است. در این سیستم‌ها نیز از چیلر استفاده می‌شود.اساس کار سیستم‌های تبرید جذبی[۱]بر آزمایش میشل فاراده[۲]استوار است که در سال ۱۸۲۴ میلادی صورت گرفت[۱].وی در یک تحقیق تجربی با استفاده از کلرید نقره به عنوان جاذب آمونیاک و یک لوله ۸ شکل، متوجه شد که آن قسمت از لوله که در معرض تغییر فاز آمونیاک از مایع به بخار است سرد می‌شود و گرمای محیط را جذب می‌کند. این پدیده باعث شکل‌گیری سیستم تبرید جذبی شد.

چیلر‌ها در دو نوع تراکمی و جذبی وجود دارند. در نوع تراکمی عمل تراکم و افزایش فشار مبرد توسط کمپرسور و در نوع جذبی بخار مبرد در محلول جذب می‌شود و با پمپ فشار آن را بالا برده و سپس با دادن حرارت بخار مبرد از محلول جدا می‌شود و کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور در هر دو یکسان‌اند.

چیلر‌های تراکمی به علت استفاده از کمپرسور، مصرف انرژی الکتریکی بالایی دارند و با توجه به اهمیت روز‌افزون انرژی و محدود بودن منابع انرژی، بهینه‌سازی مصرف انرژی بسیار مورد توجه است. ورودی چیلر‌های جذبی انرژی حرارتی است که یکی از راه‌های تأمین این انرژی بازیافت حرارت اتلافی از بویلر نیروگاه می‌باشد. استفاده از مبرد‌هایی که باعث تخریب لایه ازن می‌شود از دیگر معایب چیلرهای تراکمی است. همچنین چیلر‌های جذبی به‌دلیل عدم استفاده از کمپرسور، قطعات گردشی و متحرک کمتر و در نتیجه ارتعاش و صدای کمتری دارند. در کنار مزایایی که چیلر‌های جذبی دارند، معایبی همچون ضریب عملکرد پایین و کریستالیزاسیون و … دارند که در راستای بهبود آن اقداماتی انجام شده است.

با توجه به بهینه‌سازی مصرف انرژی و محدود بودن منابع انرژی، اهمیت موضوع بازیافت حرارت اجتناب‌ناپذیر است.اصولاً گازهای خروجی از صنایع و به خصوص نیروگاه‌های حرارتی دارای دمای بالایی می‌باشند. به طبع جریان‌های گاز با دمای نسبتاً بالا اتلاف انرژی حرارتی از نیروگاه را به‌دنبال دارند. اگر بتوان این انرژی حرارتی اتلافی را بازیافت نمود صرفه‌جویی انرژی را به‌دنبال خواهد داشت. البته مقرون به‌صرفه بودن بازیافت حرارت از گازهای داغ خروجی نیروگاه به شرایط و خاصه‌های ترمودینامیکی جریان گازهای خروجی از نیروگاه بستگی دارد. همچنین با توجه به موارد ذکر شده در بالا مبنی بر برتری چیلرهای جذبی نسبت به تراکمی و همچنین کاربردهای گوناگون آن در سیستم‌های تهویه مطبوع ساختمان‌های مختلف اهمیت پژوهش حاضر را نشان می‌دهد.

۱-۲- نحوه‌ی کار و اجزاء اصلی سیستم‌های تبرید جذبی

اجزاء اصلی سیستم‌های تبرید جذبی عبارتند از[۲]:

الف) اواپراتور ب) ابزوربر ج) کندانسور د) ژنراتور ه) شیر فشار شکن محلول و) شیر فشار شکن مبرد ی)پمپ

سیستم‌های جذبی با دو ماده جاذب و مبرد کار می‌کنند. توضیح مختصر درباره نحوه‌ی کار این سیستم‌ها بدین نحو است که ماده‌ی مبرد در داخل اواپراتور با گرفتن گرمای محیط بخار شده و در ابزوربر جذب ماده‌ی جاذب می‌شود. محلول بوجود آمده در ابزوربر به‌وسیله‌ی پمپ به ژنراتور منتقل شده و در آن‌جا با دادن حرارت به ژنراتور بخار مبرد از ماده‌ی جاذب جدا می‌شود. ماده‌ی جاذب به ابزوربر بر‌می‌گردد و بخار مبرد بمنظور مایع شدن وارد کندانسور می‌گردد. سپس با عبور از شیر فشار شکن فشار مبرد پایین می‌آید و برای تکمیل چرخه وارد اواپراتور می‌گردد. همان‌طور که مشخص است تنها پمپ احتیاج به کار مکانیکی دارد که در مقایسه با کار کمپرسور موجود در سیستم‌های تراکمی بسیار کمتر است.

۱-۳- انواع چیلر‌های جذبی

چیلر‌های جذبی را می‌توان بر اساس معیار‌های مختلفی به شرح ذیل تقسیم‌بندی کرد[۲]:

۱-۳-۱- انواع چیلر بر اساس زوج جاذب – مبرد

دو زوج پرکاربرد به‌کار رفته در چیلر‌ها عبارتند از [۲]:

الف) آب (مبرد) و لیتیم برماید (جاذب) ب) آب (جاذب) و آمونیاک (مبرد)

۱-۳-۱-۱- چیلرهای جذبی لیتیم برماید – آب

لیتیم برماید نقش جاذب و آب نقش مبرد را در این چیلر‌ها ایفا می‌کند.ليتيم و برومايد به ترتيب از خانواده فلزات قليايي و هالوژن‌ها هستند. ترکيب اين دو عنصر، نمکي به نام برومور ليتيم برومايد است که به شدت جاذب رطوبت مي‌باشد و همچنين ماده پايداري بوده و غير قابل تجزيه است. از آن‌جا که آب در این سیستم‌ها نقش مبرد را دارد پس باید فشار اواپراتور به قدری پایین باشد تا آب در دمای پایین تبخیر شود. بنابراین نمی‌توان با وجود آب به دمای زیر صفر دست پیدا کرد، علاوه بر این آب در فشار پایین دارای گرمای نهان بالایی است که می‌تواند بار برودتی زیادی را تأمین کند به همین دلیل است که این زوج جاذب و مبرد در مصارف تهویه مطبوع مکان‌های عمومی و ساختمان‌های بزرگ مانند هتل‌ها، بیمارستان‌ها و …کاربرد وسیعی دارند.

از دیگر ویژگی‌های این سیستم‌ها، استفاده از آب به عنوان ماده‌ی سردکننده می‌باشد که مزایایی نظیر گرمای نهان تبخیر بالا، خورنده نبودن، ارزانی و فراوانی نسبی است. همچنین می‌توان به تبخیر نشدن ماده‌ی جاذب این سیستم‌ها به عنوان دیگر مزیت آن اشاره کرد.اما استفاده از این سیتم‌ها با وجود مزایایی که دارد معایبی همچون نیاز به فشار تبخیر پایین آب و قابلیت انجماد آسان لیتیوم برماید را دارا می‌باشد.مسئله‌ی بسیار مهم در این سیستم‌ها پدیده‌ی کریستالیزاسیون است.یخ بستن محلول لیتیوم بروماید و متبلور شدن آن را کریستالیزاسیون گویند و گرچه این عمل به دستگاه صدمه نمی‌زند، اما جریان محلول را مسدود می‌کند.از بین بردن پدیده کریستالیزاسیون همواره یکی از دغدغه‌های کمپانی‌های سازندهچیلر جذبیبوده است.

بنابراین برای جلوگیری از وقوع این پدیده که موجب از کار افتادن دستگاه و صرف وقت طولانی برای رفع آن می‌شود نیاز به یک کاربر مجرب تاسیساتی با کمک لوازم کنترلی دقیق احساس می‌شود [۲].

مزایا و معایب سیستم‌های ذکرشده در بالا را می‌توان به صورت زیر جمع‌بندی کرد:

مزایا:

۱) ماده‌ی جاذب در این سیستم‌ها (لیتیم برماید) تبخیرنشدنی است، بنابراین دیگر نیازی به جداسازی ماده‌ی مبرد از ماده‌ی جاذب نداریم.

۲) تولید سرمایش بالا به علت گرمای نهان تبخیر بالای آب

۳) تبدیل شدن آسان از حالت چیلر به هیتر

۴) عدم استفاده از مبردهای CFC

۵) سیال مبرد (آب) ارزان، در دسترس و بی اثر است.

معایب:

۱) به علت این‌که با وجود آب نمی‌توان به دماهای زیر صفر دست پیدا کرد، بنابراین این سیستم‌ها قابل استفاده در سیستم‌های تبرید نیستند.

۲) وجود پدیده کریستالیزاسیون

۳) وسایل کنترلی دقیق و گران

۴) این سیستم تحت خلاء (فشار نزدیک به صفر مطلق) کار می‌کند، بنابراین با ورود هوا فشار آن به تدریج بالا رفته و کارایی دستگاه کاهش می‌یابد.

۱-۳-۱-۲- چیلر‌های جذبی آب – آمونیاک

در چیلرهای جذبی آب – آمونیاک، آب به علت قابلیت جذب بالای بخار آمونیاک نقش جاذب و آمونیاک نقش مبرد را دارد. می‌توان با چیلرهای جذبی آب – آمونیاک، به علت دارا بودن فشار بخار بالای آمونیاک به دماهای زیر صفر دست پیدا کرد. بنابراین از این چیلرها در سیستم‌های تبرید استفاده می‌شود.

بر خلاف سیستم‌های لیتیوم برماید – آب، ماده‌ی مبرد این چیلرها گران، دسترسی به آن سخت و سمی بوده و نشت آن به خارج آلودگی محیط زیست را در پی دارد. همچنین آب در درون ژنراتور این سیستم‌ها بخار شده و به همراه بخار آمونیاک خارج می‌شود و باید برای جداسازی ماده‌ی مبرد و جاذب از قسمت‌های اضافی استفاده کرد.

از جمله دلایلی که از این سیستم‌ها بیشتر به صورت پکیج در اماکن استفاده می‌شود، می‌توان به عدم وجود کریستالیزاسیون در نتیجه عدم استفاده از سیستم‌های کنترلی پیچیده و بهره‌برداری آسان ار آن‌ها اشاره کرد. این سیستم‌ها بار سرمایشی زیادی تولید نمی‌کنند، اما از مهمترین دلایل کارایی این سیستم‌ها بالا بودن قابلیت حل آمونیاک در آب در فشار‌های بالا و دما‌های پایین است که عمل افزایش فشار سیال در گردش سیکل به این شکل به بهترین نحو انجام می‌شود. خواص ترمودینامیکی آمونیاک قابلیت تبدیل این سیستم‌ها را برخلاف لیتیم برماید – آب از چیلر به هیتر غیر ممکن می‌سازد [۲].

مزایا و معایب ذکر شده در بالا برای این سیستم‌ها را می‌توان به صورت زیر جمع‌بندی کرد:

مزایا:

۱) دستیابی به دمای زیر صفر

۲) سیستم کنترلی آسان و ارزان

۳) کارایی بالای این سیستم‌ها به علت قابلیت بالای حل آمونیاک در آب در فشار بالا و محیط سرد

معایب:

۱) بکارگیری قطعات جانبی برای جداسازی ماده‌ی جاذب از مبرد و درنتیجه حجیم شدن دستگاه و افزایش قیمت آن

۲) عدم استفاده از این سیستم‌ها به عنوان هیتر

۳) ماده‌ی مبرد سمی و گران

۴) تولید بار سرمایشی پایین در قیاس با چیلرهای جذبی لیتیم برماید – آب

۵) استفاده از لوله‌های فولادی بدون درز به‌جای لوله‌های مسی به‌علت واکنش آمونیاک با مس و ترکیبات آن و در نتیجه کاهش ضریب انتقال حرارت و گران‌تر شدن دستگاه

۱-۳-۲- چیلر‌های جذبی بر اساس نوع طراحی

چیلر‌های جذبی بر اساس طراحی به دو نوع متداول تک‌اثره و دو‌اثره تقسیم بندی می‌شوند [۲]:

۱-۳-۲-۱- چیلر‌های جذبی تک‌اثره

چیلر‌های جذبی تک‌اثره از اواپراتور، کندانسور، ژنراتور، ابزوربر، پمپ و مبدل حرارتی تشکیل شده است. شکل (۱-۱) نمای خارجی یک چیلر جذبی تک‌اثره را نشان می‌دهد [۲].

در این سیستم ابتدا آب که نقش مبرد را دارد با گرفتن گرمای محیط در اواپراتور بخار شده و وارد ابزوربر می‌شود. در آن‌جا پس از ترکیب با محلول رقیق خروجی از ژنراتور تولید گرما می‌کند، که این گرما توسط آبی که از برج خنک کن وارد ابزوربر می‌شود یا به‌وسیله‌ی فن از ابزوربر خارج می‌شود.حال محلول غلیظ به‌وجود آمده در ابزوربر توسط پمپ برای پیش‌گرم شدن وارد مبدل حرارتی و سپس از آن‌جا وارد ژنراتور می‌شود. در ژنراتور با گرفتن گرما مبرد از ماده‌ی جاذب جدا و برای سرد شدن و کاهش فشار به ترتیب وارد کندانسور و شیر فشار‌شکن می‌شود، تا سیکل تکمیل شود. محلول رقیق تولید شده در ژنراتور، با عبور از مبدل حرارتی و دادن مقداری از گرمای خود به محلول غلیظ خروجی از پمپ وارد ابزوربر می‌شود [۲].

همانطور که در شکل (۱-۲) مشاهده می‌شود، اواپراتور و ابزوربر در یک پوسته قرار می‌گیرند تا بخار مبرد در اواپراتور به‌طور پیوسته وارد ابزوربر شود، همچنین کندانسور و ژنراتور در سیستم‌های تک‌اثره در یک پوسته قرار می‌گیرد. برای بازیافت حرارت محلول خروجی از ژنراتور و انتقال آن به محلول خروجی از ابزوربر از یک مبدل حرارتی استفاده می‌شود.

۱-۳-۲-۲- چیلر‌های جذبی دو‌اثره

نحوه‌ی کار این چیلر‌ها همانند چیلر‌های جذبی تک‌اثره است و تفاوت مهم آن داشتن یک ژنراتور اضافی است. شکل (۱-۳) یک سیکل ترمودینامیکی چیلر جذبی دواثره را نشان می‌دهد. برای درک بیشتر توضیحات ابتدا به معرفی غلظت‌های متفاوت محلول و سطوح متفاوت فشار پرداخته می‌شود. محلول غلیظ محلول خروجی از ابزوربر، محلول رقیق محلول ورودی به ابزوربر از ژنراتور فشار پایین و محلول میانی محلول خروجی از ژنراتور فشار بالا است. همچنین اواپراتور و ابزوربر دارای فشار پایین، کندانسور در فشار متوسط و ژنراتور فشار بالا در فشار بالا قرار دارد. آب در داخل اواپراتور پس از تبدیل شدن به بخار وارد ابزوربر می‌شود و محلول غلیظ حاصل پس از عبور از پمپ و مبدل حرارتی وارد ژنراتور فشار بالا می‌شود. در این مرحله محلول با گرفتن حرارت تجزیه شده و بخار مبرد وارد ژنراتور فشار پایین می‌شود، و در آن‌جا با انتقال حرارتش به محلول و عبور از شیر فشار شکن وارد کندانسور و سپس اواپراتور می‌شود. محلول میانی خروجی از ژنراتور فشار بالا پس از عبور از یک مبدل حرارتی و شیر فشار شکن وارد ژنراتور فشار پایین می‌شود و در آن‌جا با گرفتن حرارت بخار آب مجددا مقداری از آب خود را به صورت بخار از دست می‌دهد و به‌صورت رقیق‌تری با عبور از یک مبدل حرارتی و شیر فشار‌شکن به ابزوربر بر‌می‌گردد تا سیکل کامل گردد [۲].

چیلر‌های جذبی دو‌اثره به دو صورت سری و موازی وجود دارند. نحوه‌ی عملکرد چیلر‌های جذبی دو‌اثره‌ی سری در قسمت قبل توضیح داده شد. در نوع موازی، محلول غلیظ خروجی از ابزوربر بین ژنراتورهای فشار بالا و فشار پایین تقسیم می‌شود. این دو جریان پس از رقیق شدن در ژنراتور‌ها و قبل از بازگشت به ابزوربر مجددا به یکدیگر می‌پیوندند. همان‌طور که مشخص است تفاوت سری و موازی در مسیر طی شده توسط محلول به سمت ژنراتور‌ها است که باعث می‌شود سیکل سری نیاز به یک پمپ داشته باشد و در نهایت کنترل آن آسان شود، اما سیکل موازی نیاز به دو پمپ و در نتیجه کنترل پیچیده‌تر نسبت به سیکل سری داشته باشد. نکته‌ی آخر این‌که سیکل سری برای داشتن ضریب عملکرد برابر با سیکل جریان موازی نیاز به مبدل‌های بزرگتری دارد اما متداول‌تر است [۲].

۱-۳-۲-۳- مقایسه‌ی چیلر‌های جذبی تک‌اثره و دو‌اثره

تفاوت‌های رایج میان چیلر‌های جذبی تک‌اثره و دو‌اثره به شرح زیر می‌باشد [۲]:

۱) کارایی بهتر چیلر‌های جذبی دو‌اثره نسبت به تک‌اثره (ضریب عملکرد چیلر‌های تک‌اثره و دو‌اثره به ترتیب در حدود ۷/۰ و ۳/۱ می‌باشد)

۲) بالا بودن مقدار گرمای ورودی مورد نیاز ژنراتور چیلر‌های تک‌اثره نسبت به دو‌اثره (هرچند چیلر‌های دو‌اثره به منبع انرژی با کیفیت گرمایی بالاتری نیاز دارند)

۳) مقدار گرمای اتلافی کمتر در ابزوربر و کندانسور چیلر‌های دو‌اثره نسبت به تک‌اثره به علت داشتن ضریب عملکرد بالا و در نتیجه نیاز به آب خنک‌کننده با دبی جرمی کمتر یا فن با توان کمتر برای خنک‌کاری

۴) خطر خوردگی بالای چیلر‌های دو‌اثره نسبت به تک‌اثره (به علت این‌که چیلر‌های دو‌اثره در دمای بالاتری کار می‌کنند، پس برای ساخت آن‌ها از مواد مخصوصی استفاده می‌شود)

۵) نیاز به سیستم کنترلی پیچیده برای جلوگیری از وقوع کریستالیزاسیون در چیلر‌های دو‌اثره (به علت سطح تبادل حرارت بالای چیلر‌های دو‌اثره)

۱-۳-۳- چیلر‌های جذبی بر اساس منبع گرمایی

چیلر‌های جذبی بر اساس نحوه‌ی انتقال گرما به ژنراتور به دو نوع شعله غیرمستقیم و شعله مستقیم تقسیم می‌شوند. در نوع شعله غیر مستقیم، گرمای مورد نیاز به ژنراتور از آب داغ، بخار داغ، موتور ژنراتور و یا پیل سوختی تأمین می‌شود. در سیستم‌های تولید همزمان توان و حرارت و برودت از این نوع چیلر‌ها استفاده می‌شود.

در نوع شعله مستقیم، گرمای مورد نیاز به صورت مستقیم و از طریق عمل احتراق در درون ژنراتور تأمین می‌شود.هزینه‌ی اولیه و نگهداری چیلر‌های جذبی شعله مستقیم در قیاس با شعله غیر مستقیم بیشتر است [۲].

۱-۳-۴- چیلر‌های جذبی براساس سیستم خنک کننده

چیلر‌های جذبی بر اساس نحوه‌ی خنک‌کاری به دو نوع آب‌خنک و هوا‌خنک تقسیم می‌شوند. سیستم‌های آب‌خنک برای خنک‌کاری ابزوربر و کندانسور خود از جریان آب استفاده می‌کنند که این آب پس از خروج از چیلر برای انتقال گرمای خود به محیط و بازگشت به چیلر نیازمند برج خنک‌کن می‌باشد. برج خنک‌کن استفاده شده در این سیستم‌ها از نوع تر می‌باشد که برای عمل خنک‌کاری نیاز به آب دارد.

سیستم‌های هوا‌خنک برای خنک‌کاری ابزوربر و کندانسور از جریان هوا که معمولا توسط فن تولید می‌شود استفاده می‌کنند. در این سیستم‌ها دمای حباب خشک هوا تعیین کننده‌ی دمای ابزوربر و کندانسور خواهد بود در نتیجه ابزوربر و کندانسور این سیستم‌ها در دمای بالاتری کار می‌کنند که باعث افزایش دمای ژنراتور و در نهایت افت کارایی سیستم‌های هوا‌خنک نسبت به آب‌خنک می شود. مزیت سیستم‌های هوا‌خنک نسبت به آب‌خنک عدم نیاز به برج خنک‌کن و مصرف آب است، زیرا وجود برج خنک‌کن در سیستم باعث بالا بردن هزینه‌های اولیه، نگهداری مداوم و مکان فیزیکی مناسب می‌باشد [۲].

۱-۴-مبدل‌های حرارتی

مبدل‌های حرارتی ابزاری هستند که انتقال انرژی حرارتی بین دو یا چند سیال با دمای مختلف را فراهم می‌کنند [۳]. مبدل‌های حرارتی در یک محدوده‌ی وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرند که می‌توان از جمله این کاربردها به موارد زیر اشاره کرد: تولید برق، صنایع فرآیندی، شیمیایی، غذایی، الکترونیک، مهندسی محیط زیست، بازیابی گرمای استفاده نشده، صنایع ساخت و تولید و … [۳].

مبدل‌های حرارتی می‌توانند بر طبق معیار‌های زیر طبقه‌بندی شوند[۳]:

۱- از نظر انتقال گرما و یا بازیابی گرما

۲- از نظر فرآیند انتقال: تماس مستقیم و یا غیر مستقیم سیال سرد و گرم

۳- از نظر هندسه ساختار: لوله‌ها، صفحه‌ها و سطوح پره‌دار

۴- از نظر مکانیزم انتقال گرما: یک‌فاز و دو‌فاز

۵- از نظر آرایش جریان‌های گرم و سرد: هم‌جهت، مخالف جهت و جریان متقاطع

۱-۴– ۱-مبدل‌های حرارتی از نظر انتقال گرما و یا بازیابی گرما

۱-۴-۱-۱-مبدل‌های حرارتی نوع انتقال گرما[۳]

در این مبدل‌ها سیال سرد و گرم توسط یک سطح جامد ثابت از یکدیگر جدا شده‌اند و انتقال از طریق سطح مذکور صورت می‌گیرد. اکثر مبدل‌های موجود در صنعت از این دسته هستند[۴].

۱-۴-۱-۲-مبدل‌های حرارتی نوع بازیاب گرما[۴]

در این مبدل‌ها، سطح جدا‌کننده سیال سرد و گرم ثابت نبوده و به طور متناوب قسمت‌هایی از سطح مذکور در معرض حرکت سیال سرد یا گرم قرار می‌گیرند. این نوع مبدل‌ها بیشتر در مقیاس‌های آزمایشگاهی و تحقیقاتی مورد استفاده قرار می‌گیرند[۴].

۱-۴–۲-مبدل‌های حرارتی از نظر فرآیند انتقال

۱-۴-۲-۱-مبدل‌های حرارتی نوع تماس مستقیم

در این نوع مبدل‌های حرارتی، سیال سرد و گرم به طور مستقیم تماس حاصل نموده (هیچ دیواره‌ای بین جریان‌های سرد و گرم وجود ندارد) و تبادل انرژی یا حرارت انجام می‌گیرد. در مبدل‌های تماس مستقیم، جریان‌ها، دو مایع غیر قابل اختلاط و یا یک گاز و یک مایع هستند. این مبدل‌ها معمولا از راندمان حرارتی بالایی برخوردارند[۳].

۱-۴-۲-۲-مبدل‌های حرارتی نوع تماس غیر مستقیم

در این نوع از مبدل‌ها انرژی گرمایی بین سیال‌های سرد و گرم، از طریق سطح انتقال گرما (یعنی دیواره‌ی جدا‌کننده‌ی سیال‌ها) مبادله می‌شوند. در این مبدل‌ها سیال‌های سرد و گرم مخلوط نمی‌شوند [۳].

۱-۴–۳-مبدل‌های حرارتی از نظر هندسه‌ی ساختار

مبدل‌های حرارتی از نوع تماس غیر مستقیم اغلب بر حسب مشخصات ساختاری‌شان توصیف می‌شوند. انواع عمده‌ی دسته‌بندی شکل و ساختار مبادله‌کن‌های گرما شامل لوله‌ای، صفحه‌ای و سطح پره‌دار است[۳].

۱-۴–۴-مبدل‌های حرارتی از نظر مکانیزم انتقال گرما

مبدل‌های حرارتی بر طبق مکانیزم انتقال گرما، می‌توانند به صورت زیر دسته‌بندی شوند[۳]:

۱- جابجایی یک فاز در هر دو سمت

۲- جابجایی یک فاز در یک سمت، جابجایی دو فاز در سمت دیگر

۳- جابجایی دو فاز در هر دو سمت

در مبدل‌های حرارتی از قبیل اکونومایزرها (مبدل‌هایی که در آن سیال از شرایط مایع مادون اشباع به‌سمت شرایط مایع اشباع می‌رود) و گرمکن‌های هوا در دیگ بخار، خنک‌کن‌های میانی در کمپرسورهای چند مرحله‌ای، رادیاتور خودروها، ژنراتورها، خنک‌کن‌های روغن، گرم‌کن‌های مورد استفاده در گرمایش اطاق‌ها و غیره، در هر دو سمت سیال سرد و گرم، انتقال گرما از طریق جابجایی یک فاز اتفاق می‌افتد.

چگالنده‌ها، دیگ‌های بخار و مولدهای بخار در راکتورهای آب تحت فشار در نیروگاه های هسته‌ای، تبخیرکننده ها و رادیاتورهای مورد استفاده در تهویه مطبوع و گرمایش، دارای مکانیزم های چگالش و جوشش در یکی از سطوح مبدل‌های حرارتی می‌باشند.

همچنین انتقال گرمای دو فازمی‌تواند در هر دو سمت مبدل، مانند شرایطی که چگالش در یک سمت و جوشش در سمت دیگر سطح انتقال گرما است، اتفاق بیفتد. هر چند، بدون تغییر فاز نیز می‌توان شکلی از انتقال گرمای جریان دوفاز داشت، همان‌طور که بسترهای سیال، مخلوط گاز و ذرات جامد، به سطح گرمایی، یا از آن سطح، گرما منتقل می‌کنند.

۱-۴–۵-مبدل‌های حرارتی از نظر آرایش جریان‌های گرم و سرد

بر این اساس مبدل‌های حرارتی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند [۳]:

الف- مبدل‌های حرارتی از نوع جریان همسو

ب- مبدل‌های حرارتی از نوع جریان غیر همسو

ج – مبدل‌های حرارتی از نوع جریان عمود بر هم

۱-۴-۵-۱- مبدل‌های حرارتی از نوع جریان همسو

در این نوع مبدل‌ها جریان سرد و گرم موازی یکدیگر و جهت جریان سیال گرم و سرد آن‌ها موافق یکدیگر می‌باشند. یعنی دو جریان سیال، از یک انتها به مبدل وارد می‌شوند و هر دو در یک جهت جریان می‌یابند و از انتهای دیگر خارج می‌شوند. نکته‌ای که باید به آن توجه داشت این است که دمای سیال سرد خروجی از مبدل هیچ‌گاه به دمای سیال گرم خروجی نمی‌رسد. نزدیک شدن مقدار عددی دو دمای مذکور مستلزم به‌کارگیری سطح انتقال حرارت موثر بسیار بزرگی می‌باشد.

۱-۴-۵-۲-مبدل‌های حرارتی از نوع جریان غیر همسو

در شرایطی که جریان سیال سرد و گرم موازی یکدیگر و در خلاف جهت هم باشد مبدل را جریان غیر همسو می‌نامند. باید توجه داشت در این نوع مبدل‌ها امکان افزایش دمای سیال سرد خروجی نسبت به سیال گرم خروجی وجود دارد. این مبدل‌ها در شرایط یکسان از سطح انتقال حرارت کمتری نسبت به مبدل‌های همسو برخوردار هستند.

۱-۴-۵-۳- مبدل‌های حرارتی از نوع جریان عمود بر هم

در این نوع مبدل‌ها جهت جریان‌های سرد و گرم عمود بر هم می‌باشند. به عنوان متداول‌ترین نمونه می‌توان از رادیاتور اتومبیل نام برد. در آرایش جریان عمود بر هم، بسته به طراحی، جریان مخلوط یا غیر‌مخلوط نامیده می‌شود. سیال داخل لوله‌ها چون اجازه حرکت در راستای عرضی را نخواهد داشت غیر مخلوط است. سیال بیرونی برای لوله‌های بی‌پره مخلوط است چون امکانجریان عرضی سیال و یا مخلوط شدن آن وجود دارد و برای لوله‌های پره‌دار غیر مخلوط است زیرا وجود پره‌ها مانع از جریان آن در جهتی عمود بر جهت اصلی جریان می‌شود.

از آن‌جا که مبدل حرارتی طراحی شده در پژوهش حاضر از نوع پوسته و لوله است، در ادامه به طور کامل به توضیحاتی در رابطه با این نوع مبدل‌ها پرداخته می‌شود.

۱-۵-مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله

مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله کاربردی‌ترین نوع مبدل‌های حرارتی است که برای ظرفیت‌های گوناگون و انواع شرایط کارکرد از قبیل فشارهای بالا، دما‌های بالا، محیط‌ها و سیال‌های خورنده و غیره مناسب هستند و در صنایع مختلف به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. شکل (۱-۴) شمای کلی یک مبدل حرارتی پوسته و لوله را نشان می‌دهد[۴].

مبدل‌های حرارتی پوسته – لوله عموما بر اساس استاندارد [۵]TEMAتقسیم‌بندی و ساخته می‌شوند. استانداردTEMAکد‌های ساخت و طراحی مبدل‌های حرارتی پوسته – لوله با قطر داخلی پوسته کمتر از ۶۰ اینچ و فشار‌های کمتر از ۲۱ بار را ارائه می‌دهد. بر اساس استاندارد TEMA مبدل‌های حرارتی پوسته – لوله با توجه به نوع کاربرد به سه کلاس R، C و B تقسیم‌بندی می‌شوند. مبدل‌های حرارتی کلاس R اشاره به مبدل‌هایی دارد که در شرایط عملیاتی حساس مثل نیروگاه یا پالایشگاه مورد استفاده قرار می‌گیرند. مبدل‌های کلاس C برای شرایط عملیاتی متوسط تجاری کاربرد دارند و مبدل‌های کلاس B برای فرآیند‌های شیمیایی معمولی مورد استفاده قرار می‌گیرند [۴].

در استانداردTEMA هر مبدل با آرایش مخصوص و طرح مشخص با سه حرف مشخص می‌گردد. حرف اول نشان‌دهنده‌ی هد ابتداییپوسته[۶]، حرف دوم نشان‌دهنده‌ی نوع پوسته و حرف سوم مشخص کننده‌ی هد انتهایی پوسته[۷] می‌باشد[۴].

در شکل (۱-۵) انواع پوسته و هد‌های ابتدایی و انتهایی مبدل‌های حرارتی پوسته – لوله بر اساس استاندارد TEMA آورده شده است.

مبدل‌های حرارتی پوسته – لوله بر اساس استاندارد TEMA به سه دسته‌ی کلی تقسیم می‌شوند. این نوع از تقسیم‌بندی بر اساس هد انتهایی صورت گرفته است، که عبارتند از[۳]:

۱- صفحه‌ی لوله ثابت[۸]

۲-U شکل[۹]

۳- یک سر شناور[۱۰]

۱-۵-۱-مبدل‌های حرارتی صفحه‌ی لوله ثابت

در این نوع مبدل‌ها، صفحه لوله به پوسته جوش داده می‌شود. داخل لوله‌ها را می‌توان با جدا کردن هد انتهایی به‌صورت مکانیکی تمیز کرد. از آن‌جا‌که نمی‌توان پوسته را باز نمود، خارج لوله‌ها را تنها با روش‌های شیمیایی تمیز می‌کنند. در این نوع از مبدل‌ها صفحات نگهدارنده‌ی لوله ثابت است و امکان افزایش یا کاهش دما به مقدار زیاد امکان‌پذیر نیست. شکل (۱-۶) شمای کلی این نوع مبدل حرارتی را نشان داده است.

از مشخصات این نوع مبدل‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

امکان افزایش یا کاهش طول لوله‌ها با تغییر دما وجود ندارد. بنابراین استفاده از دما‌های خیلی زیاد و یا خیلی کم امکان‌پذیر نمی‌باشد. اگر چنان‌چه سیال خیلی خورنده باشد و یا فشار سیستم خیلی زیاد باشد، از این اتصال نمی‌توان استفاده کرد. از مزیت‌های این مبدل‌ها می‌توان به ارزانتر بودن، تمیز کردن لوله‌ها به روش مکانیکی، حذف خطر نشتی و قرار گرفتن تعداد لوله‌های بیشتر در یک قطر مشخص پوسته به‌دلیل نداشتن اتصال داخلی اشاره کرد.

۱-۵-۲-مبدل‌های حرارتیU شکل‌

همان‌طورکه در شکل (۱-۷) نشان داده شده است، در این نوع از مبدل‌ها یک‌طرف به صفحه اوله پیچ شده و سر دیگر لوله‌ها آزاد می‌باشد. بنابراین مشکل انبساط لوله‌ها به علت اختلاف دما در این مبدل مشکل‌ساز نمی‌باشد. در مبدل‌های حرارتی U-tube تمیز‌کاری سمت لوله به‌دلیل خم لوله‌ها، به روش مکانیکی میسر نمی‌باشدو تنها باید از روش‌های شیمیایی استفاده نمود ولی جداره خارجی لوله‌ها را با خارج نمودن دسته لوله از داخل پوسته می‌توان به روش مکانیکی انجام داد.

تفاوت اصلی این نوع مبدل با مبدل‌های حرارتی صفحه‌ی لوله ثابت در شکل لوله‌ها، تعداد صفحه لوله، تفاوت در هد انتهایی و نحوه‌ی اتصال میله بست[۱۱]می‌باشد. همچنین مبدل حرارتی U-tubeدارای حداقل دو‌گذر لوله می‌باشد و تعداد گذر‌های لوله آن همیشه زوج است.

از جمله مزیت این مبدل‌ها می‌توان به امکان افزایش یا کاهش طول لوله‌ها بر اثر تغییر دما و عدم وجود اتصال

داخلی اشاره کرد.

از جمله معایب استفاده از این مبدل‌ها، می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

۱- امکان تمیز‌کاری لوله‌ها به روش مکانیکی وجود تدارد و اگر سیال رسوب‌زا باشد به داخل پوسته فرستاده می‌شود.

۲- فقط امکان تعویض لوله‌های محیطی وجود دارد و در صورتی که لوله‌های داخلی سوراخ شوند، باید دو سر آن را کور نمود.

۳- به‌خاطر خم لوله‌های Uتعداد لوله در مقایسه با مبدل‌های حرارتی صفحه‌ی لوله ثابت در یک قطر مشخص کمتر است.

۴- ردیف‌های داخلی این مبدل‌ها به دلیل خم‌شدگی بیشتر لوله‌ها ضخامت کمتری دارند. برای رفع این مشکل ردیف‌های داخلی را با ضخامت بیشتر می‌سازند تا مقاومت آن‌ها در برابر فشار، فرسایش و خوردگی افزایش یابد.

۱-۵-۳-مبدل‌های حرارتی یک سر شناور

زمانی که اختلاف دمای بین سیال سرد و گرم زیاد باشد از این مبدل استفاده می‌شود. به‌دلیل شناور بودن یکی از هدها، مشکل افزایش طول لوله‌ها در این مبدل وجود ندارد. هزینه‌ی ساخت این مبدل در قیاس با سایر مبدل‌ها با سطح یکسان حرارتی بالاتر می‌باشد. شکل (۱-۸) شمای کلی این مبدل را نشان می‌دهد.

۱-۶-اجزای مبدل‌های حرارتی پوسته – لوله

یک مبدل حرارتی پوسته – لوله از لوله، پوسته، صفحه لوله، هد ابتدایی و انتهایی، میله بست، صفحه برخورد و بفل تشکیل شده است که در زیر به توضیح مختصر هر کدام پرداخته می‌شود [۴]:

۱-۶-۱-لوله

لوله‌ها از اجزای اساسی و مهم مبدل حرارتی پوسته – لوله می‌باشند که در واقع سطح انتقال حرارت بین سیال جاری داخل لوله‌ها و سیال خارج آن‌ها (سیال داخل پوسته) را تشکیل می‌دهند [۴].

۱-۶-۲-صفحه جداکننده‌ی گذر لوله

تعداد گذرهای لوله می‌تواند هم زوج و هم فرد باشد. به‌دلیل مسائل اقتصادی ترجیح داده می‌شود تعداد گذر‌های لوله‌ها زوج باشد، چون در صورت فرد بودن تعداد گذر‌های لوله باید برای نازل‌ها تمهیداتی در نظر گرفته شود. در صورت زوج بودن تعداد گذر لوله، هر دو نازل روی هد شناور یا ثابت قرار می‌گیرد و این تمهیدات یکبار لحاظ می‌گردد [۴].

۱-۶-۳-صفحه لوله

صفحه لوله برای نگهداری لوله‌ها در دو انتهای مبدل حرارتی پوسته – لوله به‌کار می‌رود که دارای تعداد سوراخ‌هایی برابر با تعداد لوله‌های مبدل می‌باشد. بر اساس آرایش و گام لوله تعداد سوراخ‌ها در یک قطر معین تغییر می‌کند. برای جلوگیری از نشتی سیال داخل لوله به سیال سمت پوسته، لوله‌ها را به صفحه لوله جوش می‌دهند [۴].

۱-۶-۴-صفحه برخورد

صفحه‌ی برخورد برای جلوگیری از آسیب رساندن به لوله‌های نزدیک به سیال ورودی، توسط سیال ورودی به پوسته (که دارای سرعت بالا یا ذرات ریز باشند) در قسمت جلوی دهانه‌ی نازل ورودی سمت پوسته نصب می‌گردد [۴].

۱-۶-۵-پوسته

بر اساس استاندارد TEMA و با توجه به شکل (۱-۵) انواع پوسته عبارتند از نوع E، F، G، H، J، X و K.

رایج‌ترین نوع پوسته که در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرد، پوسته از نوع E است. دلیل رایج بودن این نوع از پوسته سادگی و ارزانی آن است. پوسته نوع F نیز گاهی مورد استفاده قرار می‌گیرد، به‌خصوص برای زمانی که اختلاف دمای ایجاد شده بین سیال سمت لوله و پوسته، در پوسته نوع E مقدار نامناسبی باشد.از پوسته‌ی نوع G و J زمانی استفاده می‌گردد که مد‌نظر افت فشار سمت پوسته باشد و کاهش افت فشار نسبت به ضریب انتقال حرارت در اولویت اول قرار گیرد.پوسته‌ی نوع X برای کندانسورها، جریان‌های گازی فشار پایین و تقطیر در خلاء مناسب می‌باشد. افت فشار در پوسته‌ی نوع X کمتر از نوع E و J است.پوسته نوع H نیز برای سیستم‌هایی که سیال سمت پوسته فشار عملیاتی پایینی داشته باشد، مناسب است.از پوسته نوع K زمانی استفاده می‌گردد که در طرف پوسته جوشش اتفاق می‌افتد. بنابراین، این نوع پوسته در جوش‌آور نوع Kettle‌ کاربرد دارد [۴].

۱-۶-۶-هد یا کله‌گی

هدها به‌طور کلی به دو دسته‌ی هد ابتدایی ثابت و هد انتهایی تقسیم می‌شوند. طبق استاندارد TEMA انواع هدهای ابتدایی ثابت عبارتند از : A، B، C، D و N و انواع هدهای انتهایی ثابت عبارتند از L، M و N و انواع هدهای انتهایی متحرک عبارتند از P، S، T، U و W [3].

هد نوع A: قابل باز شدن جهت تمیز‌کاری و تعمیر اتصالات در لوله است.

هد نوع B: معمولا در شرایطی که سیال تمیز باشد استفاده می‌گردد و از جمله معایب آن می‌توان به لزوم جداسازی لوله‌های متصل به هد و جداکردن هد در موقع تمیز‌کاری اشاره کرد.

هد نوع C و N: این دو نوع با صفحه لوله یکپارچه شده است و در سیستم‌های با فشار بالا از آن‌ها استفاده می‌شود. نوع C عموما برای مبدل‌های حرارتی با دسته لوله‌ی متحرک یا U-tube استفاده می‌گردد، ولی نوع N برای مبدل‌های حرارتی با صفحه لوله ثابت به‌کار می‌رود. معمولا به‌دلیل هزینه‌ی بالای تعمیرات، تمیز‌کاری و تعویض لوله‌ها

از این نوع هد‌ها جز در شرایط خاص استفاده نمی‌شود.

هدهای انتهایی ثابت L، M و N معمولا به علت داشتن معایبی چون مشکل‌ساز بودن انبساط حرارتی بین پوسته و لوله، استفاده از روش‌های شیمیایی برای تمیز‌کاری پوسته و غیرممکن بودن تعویض لوله‌ها، در مبدل‌های حرارتی صفحه‌ی لوله ثابت مورد استفاده قرار می‌گیرند.

هد نوع U: در صورت استفاده از این هد می‌توان دسته لوله را از پوسته خارج نمود، هر‌چند به‌دلیل خم انتهای لوله‌ها، نمی‌توان از روش‌های مکانیکی برای تمیز‌کاری لوله‌ها استفاده نمود.

هد نوع T: در این نوع هد دسته لوله را می‌توان به راحتی از پوسته خارج نمود و هر یک از لوله‌ها به‌راحتی قابلیت تعویض دارند.

۱-۶-۷-میله بست[۱۲]

میله‌ای تو‌پر است که سیال درون آن حرکت نمی‌کند. میله بست از دو طرف روی صفحه لوله پیچ شده است و با کمک آن، بافل‌ها در جای خودشان استقرار می‌یابند. وظیفه‌ی اصلی میله بست، جلوگیری از ارتعاش دسته لوله می‌باشد [۴].

۱-۶-۸-بافل[۱۳]

بافل‌ها وظیفه‌ی هدایت جریان سیال را در پوسته بر روی لوله‌ها به عهده دارند تا سرعت سیال و ضریب انتقال حرارت را افزایش دهند. بافل‌ها در مجموع به سه دسته تقسیم‌بندی می‌شوند:

۱- یک‌تکه[۱۴]

۲- دو‌تکه[۱۵]

۳- سه‌تکه[۱۶]

در شکل (۱-۹) هر سه نوع بافل نمایش داده شده است. بافل‌های یک‌تکه نسبت به بافل‌های دو‌تکه و سه‌تکه افت فشار بیشتری دارند که دلیل آن را می‌توان طول بیشتر مسیر متقاطع نسبت به دو نوع دیگر دانست [۳].

۱-۷-تعیین سمت پوسته و یا لوله برای جریان‌ها

باید تصمیم گرفته شود که کدام سیال در لوله‌ها و کدام‌یک در پوسته جریان خواهد یافت. معمولا دیدگاه‌های زیر برای تعیین سمت پوسته و یا لوله به‌کار می‌رود[۳]:

۱- سیال با رسوب بیشتر درون لوله جریان می‌یابد، زیرا تمیزکاری لوله‌ها به‌ویژه تمیز‌کاری مکانیکی آسان‌تر است.

۲- سیال با فشار زیاد درون لوله‌ها جریان می‌یابد، به‌دلیل قطر کوچک‌شان، لوله‌های با ضخامت معمول وجود دارند که می‌توانند فشار بالا را تحمل کنند.

۳- سیال خورنده باید در لوله‌ها جریان یابد، در غیر این صورت، هم لوله و هم پوسته خورده خواهند شد.

۴- جریان دارای ضریب انتقال گرمای کوچک‌تر در سمت پوسته جریان می‌یابد، زیرا طراحی لوله‌های دارای پره بر روی سمت آسان‌تر است.

۱-۸-جمع‌بندی

در این فصل ابتدا مقدمه‌ای در مورد چیلرهای جذبی و تاریخچه‌ی آن گفته شد. سپس اجزاء اصلی چیلر جذبی و نحو‌ه‌ی کار آن به صورت مختصر توضیح داده شد. در ادامه به تقسیم‌بندی چیلرها بر اساس زوج جاذب – مبرد، نوع طراحی، منبع گرمایی و بر اساس سیستم خنک‌کننده پرداخته شد. در نهایت تقسیم‌بندی انواع مبدل‌های حرارتی و کلیاتی در ارتباط با اجزای مبدل حرارتی پوسته و لوله و … بیان شد.

فصل دوم

مروری بر پژوهش‌های گذشته

۲-۱-مروری بر پژوهش‌های گذشته

در سال‌های گذشته، محققان زیادی در ارتباط با تحقیق حاضر پژوهش‌هایی انجام داده‌اند که در زیر به مرور آن‌هاپرداخته شده است:

در سال ۱۹۸۸، کئولار[۱۷]و همکاران ]۵[ به ارائه‌ی روشی برای محاسبه‌ی اکسرژی محلول لیتیم برماید – آب پرداختند که در آن اثر اکسرژی شیمیایی محلول لیتیم برماید در نظر گرفته شده است. شکل (۲-۱) مدل شبیه‌سازی شده تحقیق کئولار می‌باشد.آن‌ها در ادامه به تحلیل قانون دوم یک پمپ حرارتی جذبی خورشیدی پرداخته و بازگشت‌ناپذیری اجزای داخلی سیستم را مورد بررسی قرار دادند.نتایج آن‌ها نشان می‌دهد که بیشترین اتلافات اکسرژی حتی در شرایط ایده‌ال مربوط به کندانسور است.

در سال ۱۹۹۷، قدر[۱۸] و همکاران [۶] یک مطالعه‌ی تحلیلی برای استفاده از انرژی خورشیدی در سرمایش محیط با استفاده از سیستم تبرید جذبی لیتیوم برماید – آب روی یک کاربری مسکونی انجام دادند. شکل (۲-۲) سیستم تحلیلی مورد بررسی قدر را نشان می‌دهد. نتایج مطالعه‌ی آن‌ها نشان می‌دهد که برای هر تن تبرید حداقل ۳/۲۳ متر مربع مساحت کلکتور و ۱۵۰۰-۱۰۰۰ لیتر حجم مخزن ذخیره‌ی آب جهت عملکرد سیستم برای هفت ساعت در روز مورد نیاز است.

در سال ۲۰۰۳، یون[۱۹] و همکاران [۷] به بررسی یک سیکل جذبی دو‌اثره‌ی لیتیوم برماید – آب پرداختندکه از گاز خروجی از مشعل ژنراتور دما بالا برای پیش‌گرم کردن محلول جاذب ضعیف بین ابزوربر و ژنراتور دما پایین استفاده می‌کند. شکل (۲-۳) سیستم مورد بررسی یون را نشان می‌دهد.آن‌ها تحلیل‌ها و نتایج خود را بر پایه‌ی نتایج تجربی بیان کردند. نتایج مطالعه‌ی آن‌ها نشان می‌دهد که گازهای خروجی با دمای بالای ۲۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌تواند به میزان قابل توجهی محلول جاذب ضعیف بین ابزوربر و ژنراتور دما پایین را پیش‌گرم نماید.

در سال ۲۰۰۴، هوانگ[۲۰][۸] یک سیستم سرمایشی ترکیبی با میکروتوربین را مورد بررسی قرار داد که در آن سیکل جذبی با به کار بردن گرمای خروجی از میکروتوربین سرمایش اضافه تولید می‌کند. شکل (۲-۴) سیستم ترکیبی هوانگ را نشان می‌دهد. سرمایش اضافه‌ی تولید شده به وسیله‌ی سیکل جذبی باعث بهتر شدن عملکرد سیکل تراکمی شده و در نتیجه توان ورودی به سیستم را کاهش می‌دهد. نتایج هوانگ نشان می‌دهد که به کار بردن سیستم ترکیبی نسبت به سیستمی که گرمای خروجی میکروتوربین را مورد استفاده قرار نمی‌دهد، مصرف انرژی کمتری دارد و دوره‌ی بازگشت سرمایه‌ی آن نیز کوتاه‌تر است.

در سال ۲۰۰۵، مریرا[۲۱] و همکاران [۹] به تحلیل ترمودینامیکی یا اکسرژی-اقتصادی یک سیکل تبرید جذبی دو مرحله‌ای با زوج لیتیم برماید-آب پرداختند. گرمای سیکل از احتراق مستقیم از گاز طبیعی تأمین می‌شود. آن‌ها تحلیل خود را بعد از تحلیل انرژی همه اجزاء سیستم انجام دادند. شکل (۲-۵) سیستم تبرید جذبی دو‌اثره تحقیق مریرا را نشان می‌دهد. ارزیابی آن‌ها برای یک سردخانه با ظرفیت ۵ تا ۱۵ تن تبرید استفاده می‌شود و این روش بر پایه یک ماتریس تصادفی استوار است. نتایج آن‌ها ابزوربر و کندانسور را به عنوان با‌اهمیت‌ترین اجزای سیکل برای بحث اکسرژی-اقتصادی معرفی می‌کند.

در سال ۲۰۰۶، پاتک[۲۲] و کلومفار[۲۳] [۱۰] مجموعه‌ای از روابط مؤثر برای محاسبه‌ی خواص ترمودینامیکی محلول لیتیم برماید – آب در شرایط تعادلی بخار و آب را به صورت تابعی از دما و نسبت جرمی لیتیوم برماید در محلول ارائه کردند. این مجموعه شامل فشار، چگالی، ظرفیت گرمایی ویژه در فشار ثابت، آنتالپی و آنتروپی محلول می‌باشد. این معادلات در محدوده دمایی ۲۷۳ تا ۵۰۰ کلوین و نسبت جرمی ۰تا ۷۵ درصد صادق می‌باشند.

در سال ۲۰۰۶، توماسز[۲۴][۱۱] بر روی سیستم چیلر جذبی تک‌اثره لیتیم برماید – آب که در نیروگاه شهر پوزنان[۲۵] کشور لهستان نصب بود، به منظور پیدا کردن عملکرد انرژی تحقیقاتی انجام داد. شکل (۲-۶) ساختار ساده شده‌ی سیستم سرمایش نصب شده در نیروگاه پوزنان را نشان می‌دهد. چیلر قابل استفاده در این نیروگاه دارای ظرفیت ۴۹۵ کیلو واتی می‌باشدکه برای تهویه مطبوع اتاق‌های کنترل و اتاق‌های منبع تغذیه مورد استفاده قرار می‌گرفت. هدف اصلی تحقیق وی به‌دست آوردن تأثیر بار واقعی چیلر بر کارایی سیستم بود.

در سال ۲۰۰۷، کایناکلی[۲۶] و کیلیک[۲۷] [۱۲] به تحلیل ترمودینامیکی یک سیکل تبرید جذبی لیتیوم برماید – آب به صورت دقیق پرداختند. شکل (۲-۷) چیلر جذبی مورد بررسی کایناکلی و کیلیک را نشان می‌دهد.آن‌ها اثرات عواملی همچون دما و مبدل‌های حرارتی را بر ضریب عملکرد و نسبت بازده مورد بررسی قرار دادند و به نتایج زیر دست یافتند:

۱) ضریب عملکرد با افزایش دمای ژنراتور و اواپراتور افزایش و با افزایش دمای ابزوربر و کندانسور کاهش می‌یابد.

۲) مقدار نسبت بازده با دما تغییر می‌کند.

۳) مبدل حرارتی محلول اثر بیشتری نسبت به مبدل حرارتی مبرد بر ضریب عملکرد، نسبت بازده و دمای سیال دارد.

۴) مبدل حرارتی محلول، ضریب عملکرد را تا حداکثر۴۴% افزایش می‌دهد در صورتی‌که مبدل حرارتی مبرد فقط تا ۸/۲% مقدار ضریب عملکرد را افزایش می‌دهد.

در سال ۲۰۰۷، کیلیک و کایناکلی [۱۳] به تحلیل قانون اول و دوم ترمودینامیک برای یک سیکل تبرید جذبی تک‌اثره لیتیوم برماید – آب، در حالت متغیر بودن پارامترهای کاری پرداختند. شکل (۲-۸) چیلر جذبی تک‌اثره مورد بررسی کیلیک و کایناکلی را نشان می‌دهد.آن‌ها یک مدل ریاضیاتی بر پایه‌ی روش اکسرژی برای تخمین عملکرد سیستم، افت اکسرژی همه‌ی اجزاء و افت اکسرژی کلی سیستم معرفی کردند. نتایج آن‌ها نشان می‌دهد که اکسرژی در پمپ، شیر انبساط و مبدل‌های حرارتی به‌خصوص در مبدل حرارتی مبرد افت پیدا می‌کند همچنین بیشترین افت اکسرژی صرف‌نظر از شرایط کاری مربوط به ژنراتور است. این مسئله ژنراتور را با اهمیت‌ترین جزء در سیکل قرار می‌دهد.

در سال ۲۰۰۸، گمری[۲۸] و حکیمی[۲۹] [۱۴] به تحلیل اکسرژی سیستم تبرید جذبی دواثره‌ی لیتیوم برماید – آب پرداختند. شکل (۲-۹) سیستم تبرید جذبی مورد مطالعه‌ی گمری و حکیمی را نشان می‌دهد.آن‌ها در این مطالعه میزان تلفات اکسرژی در هر یک از اجزای سیستم و ضریب عملکرد و بازده قانون دوم کل سیستم تبرید جذبی را محاسبه کردند. نتایج آن‌ها نشان می‌دهد که کارایی سیستم تبرید جذبی با افزایش دمای ژنراتور فشار پایین افزایش و با افزایش دمای ژنراتور فشار بالا کاهش می‌یابد و همچنین بیشترین مقدار تلفات اکسرژی در ابزوربر و ژنراتور فشار بالای سیستم رخ می‌دهد. در این مطالعه از اکسرژی شیمیایی محلول صرف‌نظر شده است.

در سال ۲۰۰۹، گمری [۱۵] به مقایسه کارایی سیستم‌های تبرید جذبی تک‌اثره و دو‌اثره‌ی لیتیم برماید – آب بر اساس قوانین اول و دوم ترمودینامیک پرداخت. شکل (۲-۱۰) چیلر جذبی تک‌اثره مورد بررسی گمری را نشان می‌دهد. نتایج او نشان می‌دهد که اگر‌چه ضریب عملکرد چیلرهای جذبی دو‌اثره تقریبا دو برابر چیلرهای تک‌اثره است ولی اختلاف بازده قانون دوم این دو سیستم کمتر است. در این مطالعه اثر اکسرژی شیمیایی محلول در نظر گرفته نشده است.

در سال ۲۰۰۹، کوشیک[۳۰] و آرورا[۳۱] [۱۶] به مطالعه‌ی تأثیر دمای زنراتور، ابزوربر و اواپراتور بر کارایی انرژتیک و اکسرژتیک سیستم‌های جذبی پرداختند. شکل (۲-۱۱) دو سیستم تبرید جذبی تک‌اثره و دو‌اثره مورد مطالعه‌ی کوشک . آرورا را نشان می‌دهد. این محققین تغییرات ضریب عملکرد سیستم‌ جذبی تک‌اثره را بین ۶/۰ و ۷۵/۰ و تغییرات ضریب عملکرد سیستم جذبی دو‌اثره را بین ۱ و ۲۸/۱ گزارش کرده‌اند. طبق نتایج آن‌ها بیشترین میزان تلفات اکسرژی در سیستم متعلق به ابزوربر می‌باشد. در این مطالعه از اثر اکسرژی شیمیایی محلول در محاسبات مربوط به قانون دوم صرف‌نظر شده است.

در سال ۲۰۰۹، پالاسیوس[۳۲] و همکاران [۱۷] به تحلیل ترمو‌اقتصادی یک سیستم تبرید جذبی تک‌اثره و دو‌اثره‌ی لیتیوم برماید – آب پرداختند. شکل (۲-۱۲) چیلرهای جذبی تک‌اثره و دو‌اثره‌ی مورد بررسی پالاسیوس را نشان می‌دهد.آن‌ها بررسی‌های خود را بر روی دو سیستم حرارت مستقیم و آب داغ انجام دادند. نتایج آن‌ها نشان می‌دهد که هزینه‌ی اکسرژی برای حرارت مستقیم بالاتر است.

در سال ۲۰۱۱، گروسی فرشی[۳۳] و همکاران [۱۸] به بررسی تأثیر شرایط کارکرد گوناگون بر پدیده‌ی کریستالیزاسیون در سه گونه‌ی مختلف (جریان سری، جریان موازی و جریان موازی معکوس[۳۴]) سیستم‌های تبرید جذبی دو‌اثره‌ی لیتیم برماید – آب با ظرفیت تبرید یکسان پرداختند. شکل (۲-۱۳) سه سیستم تبرید جذبی سری، موازی و معکوس مورد مطالعه‌ی گروسی را نشان می‌دهد. نتایج آن‌ها نشان می‌دهد که محدوده‌ی عملکرد مجاز بدون احتمال وقوع کریستالیزاسیون برای سیستم‌های جذبی دو‌اثره‌ی جریان موازی و جریان موازی معکوس از سیستم‌های جریان سری وسیع‌تر است.

در سال ۲۰۱۱، میات[۳۵] و همکاران [۱۹] به تحلیل عملکرد یک سیستم تبرید جذبی با به‌کار بردن تحلیلآنتروپی تولیدی پرداختند. شکل (۲-۱۴) چیلر جذبی مورد بررسی میات را نشان می‌دهد. نتایج آن‌ها نشان می‌دهد که کمترین تولید آنتروپی از بیشترین ضریب عملکرد در سیکل جذبی پیروی می‌کند.

در سال ۲۰۱۲، صیفوری[۳۶] و عامری[۳۷] [۲۰] حالت‌های مختلف ترکیب سیستم جذبی لیتیم برماید – آب و سیستم تبرید تراکمی را مورد بررسی قرار دادند. شکل (۲-۱۵) پیکر‌بندی‌های مختلف مورد بررسی صیفوری و عامری را نشان می‌دهد. در سیستم مورد مطالعه‌ی این پژوهشگران توان مورد نیاز کمپرسور سیستم تراکمی به وسیله‌ی میکروتوربین تأمین می‌شود و حرارت تلف شده در میکروتوربین نیز توسط سیستم تبرید جذبی مورد استفاده قرار می‌گیرد. آن‌ها در مطالعه‌ی خود نشان دادند که سیستم‌های تبرید تراکمی ضریب بهره‌وری انرژی را افزایش می‌دهند و انرژی مصرفی آن‌ها کمتر از سیستم‌های غیر‌ترکیبیاست.

در سال ۲۰۱۳، پوپلی[۳۸] و همکاران [۲۱] به مطالعه‌ی ترمو‌اقتصادی استفاده از حرارت اتلافی گاز خروجی از توربین گاز برای یک چیلر جذبی تک‌اثره لیتیوم برماید – آب پرداختند. شکل (۲-۱۶) سیستم مورد بررسی پوپلی را نشان می‌دهد. آن‌ها در این تحقیق به مطالعه‌ و مقایسه‌ی چیلرهای تبخیری، چیلرهای الکتریکی و چیلرهای جذبی پرداختند. چیلرهای تبخیری در مناطق گرمسیری با توجه به رطوبت نسبی بالا و همچنین چیلرهای الکتریکی مکانیکی با توجه به مصرف توان زیاد دارای محدودیت قابل ملاحظه‌ای هستند از این رو کاربرد ویژه تحقیق آن‌ها به منظور استفاده از چیلرهای جذبی در مناطق گرمسیری می‌باشد. نتایج آن‌ها نشان می‌دهد که در شرایط محیطی تابستان خلیج فارس (دمای۵۵ درجه‌ی سانتی‌گراد و رطوبت نسبی %۸۰ ) چیلرهای جذبی که از حرارت اتلافی گاز خروجی از توربین گاز با ظرفیت 17 استفاده می‌کنند ۳/۱۲سرمایش برای سرد کردن هوای ورودی به کمپرسور تا دمای ۱۰ درجه‌ی سانتی‌گراد فراهم می‌کنند و چیلرهای تبخیری در همان شرایط محیطی تنها ظرفیت سرمایش ۳/۲ را تأمین می‌کنند همچنین چیلر‌های تراکم بخار مکانیکی به ۷/۲ انرژی الکتریکی اضافی نیاز دارند تا همان مقدار سرمایش چیلرهای جذبی را تأمین کنند.

در سال ۲۰۱۴، آوانسیان[۳۹] و عامری [۲۲] به تحلیل و مقایسه سیستم‌های تبرید جذبی تک‌اثره و دو‌اثره لیتیوم برماید – آب تحت عوامل و شرایط آب و هوایی مختلف پرداختند. نتایج آن‌ها نشان می‌دهد ضریب بهره‌وری انرژی با افزایش دمای اواپراتور و ژنراتور افزایش می‌یابد و با افزایش دما و رطوبت هوای محیط کاهش می‌یابد. همچنین راندمان اکسرژی کل با افزایش دمای ژنراتور و دمای محیط افزایش می‌یابد و با افزایش درجه حرارت اواپراتور کاهش می‌یابد و با نسبت رطوبت به آرامی تغییر می‌یابد و تجزیهوتحلیلاقتصادینشانمی‌دهدکهبرایشرایطعملیاتی ارائهشدهدرتحقیق‌ آن‌ها،سیستمتک‌اثرهغیراقتصادیاستودورهبازپرداختاستفادهازچیلردو‌اثرهمستقیمبهجایآبداغدرحدود۵/۳ سالاست.درنهایت،انتشارازسیستمتک‌اثرهبهترتیبحدود۹/۱و۷/۱برابربیشتراز چیلر دو‌اثره حرارتمستقیمو آب داغ است. در این مطالعه اثر اکسرژی شیمیایی محلول در محاسبات مربوط به قانون دوم به خوبی بررسی شده است و نتیجه گرفتند که تأثیر آن ناچیز است.

در سال ۲۰۱۴، چیگائو [۴۰] و زید[۴۱] [۲۳]به تحلیل انرژی چیلر جذبی تک‌اثره در یک تولیدی مواد شوینده در الجزایر پرداختند. شکل (۲-۱۷) چیلر جذبی مورد مطالعه‌ی چیگائو و زید را نشان می‌دهد. آن‌ها از بخار مورد نیاز برای تولیدی هم به عنوان ورودی مواد پاک‌کننده و هم به عنوان انرژی حرارتی مورد نیاز برای سیستم تبرید جذبی تک‌اثره لیتیوم برماید – آب استفاده کردند. هدف از انجام این کار صرفه‌جویی در مصرف انرژی و حفاظت از محیط زیست بود. آن‌ها نتایج رضایت‌بخشی برای سیستم تبرید تا قبل از توقف به علت افزایش فشار به دست آوردند.آن‌ها به بررسی تأثیر تغییرات درجه حرارت بر عملکرد سیستم و بار حرارتی سیستم پرداختند. نتایج آن‌ها نشان می‌دهد که با افزایش دمای اواپراتور و دمای ژنراتور بار حرارتی سیستم کاهش و ضریب عملکرد افزایش می‌یابد.

در سال ۲۰۱۵، کایناکلی و همکاران [۲۴] به تحلیل انرژی و اکسرژی یک سیکل تبرید جذبی لیتیم برماید – آب با چشمه‌های حرارتی مختلف پرداختند.شکل (۲-۱۸) سیستم تبرید جذبی مورد مطالعه‌ی کایناکلی را نشان می‌دهد. دمای عملکرد کلی سیستم و اجزای آن‌ها تأثیر مهمی بر عملکرد و قابلیت‌هایشان دارد. آن‌ها به بررسی و مطالعه‌ی پارامتری این اثر بر ظرفیت گرمایی، اتلاف اکسرژی از ژنراتور فشار بالا، ضریب عملکرد سیستم و دبی جرمی منابع حرارتی مختلف پرداختند. همچنین یک تحلیل مقایسه‌ای بر روی چند منابع حرارتی (مانند آب داغ، هوای داغ و بخار) از لحاظ اتلاف اکسرژی و دبی جرمی منابع مختلف انجام دادند.آن‌ها در مطالعات خود به این نتیجه رسیدند که اتلاف اکسرژی در هنگام به‌کار بردن هوای داغ و آب داغ به عنوان منبع حرارتی به ترتیب بیشترین و کمترین مقدار خود را دارند.

درسال ۲۰۱۶، شیرازی[۴۲]وهمکاران [۲۵] بهمطالعه‌یپارامتریسیستم‌هایتبرید جذبیخورشیدیتک اثره،دو اثرهوسه اثرهبااستفادهازگردآورنده‌های خورشیدیرایجدربازارپرداختند.شکل (۲-۱۹) چیلر جذبی خورشیدی مورد مطالعه‌ی شیرازی را نشان می‌دهد. چیلرجذبیتک اثرهراباگردآورندهلوله‌ایخلاءوچیلر‌های جذبی دو اثره و سه اثره را با گرد‌آورنده‌ی سهموی، میکرومتمرکزکننده‌های فرسنل و صفحه تخت خلاء مورد بررسی قرار دادند.نتایج آن‌ها نشان داد که چیلر جذبی دو اثره ترکیب شده با گردآورنده صفحه‌ای تخت خلاء در شرایط اقلیمی مختلف، هم از نظر انرژی و هم از نظر اقتصادی عملکرد بهتری دارد.

۲-۲- نوآوری پژوهش حاضر

در برخی از مراجع گذشته [۵، ۶، ۱۹-۹، ۲۲، ۲۴ و ۲۵] شبیه‌سازی، تحلیل انرژی و تحلیل اقتصادی چیلرهای جذبیتک‌اثره و دو‌اثره انجام شده است ولی حرارت ورودی به سیکل ثابت بوده است. در یکسری دیگر از تحقیقات انجام شده [۷، ۸، ۲۰، ۲۱ و ۲۳] به بحث بازیاب حرارت اتلافی و استفاده در چیلرچذبی پرداخته شده است ولی تحلیل انرژی و اکسرژی جامعی صورت نگرفته است. در تحقیق حاضر تواماً به شبیه‌سازی، تحلیل انرژی و تحلیل اقتصادی استفاده از چیلر جذبی که حرارت ورودی به سیکل ترمودینامیکی از بازیافت گرمای حرارت اتلافی حاصل گازهای خروجی از بویلر نیروگاه بخارتأمین می‌شود، پرداخته شده است.

۲-۳-اهداف

هدف اصلی این تحقیق تحلیل ترمواقتصادی استفاده از بازیافت حرارت اتلافی از بویلر نیروگاه بخار برای سرمایش توسط چیلرهای جذبی می‌باشد.

فصل سوم

معادلات حاکم

۳-۱-تعريف مسئله

مساله‌ی مورد بررسی مطالعه‌ی ترمواقتصادی استفاده از چیلر جذبی برای بازیافت حرارت اتلافی گازهای خروجی از بویلر نیروگاه بخار می‌باشد. سئوالاتی که باید به آن پاسخ داده شود به شرح زیر می‌باشد:

۱- اجزاء اصلی سیکل ترمودینامیکی مربوطه چیست؟

۲- چیلریا چیلرهای مناسب برای کاربرد مذکور کدام نوع می‌باشند؟

۳- سیستم بازیافت حرارت اتلافی از کدام نوع باید باشد؟

۴- تحلیل انرژی و اقتصادی سیستم و اجزاء آن به چه نحو است؟

۵- پارامترهای طراحی و عملکردی موثر بر راندمان سیستم کدامند؟

۶- بر اساس تحلیل اقتصادی آیا بازیافت حرارت گازهای خروجی از بویلر نیروگاه بخار برای ایجاد سرمایش توسط چیلرهای جذبی مقرون به صرفه است؟

۳-۲-فرض‌های به کار رفته در شبیه‌سازی و تحلیل چیلرهای جذبی

برنامه‌ی لازم برای تحلیل سیستم با استفاده از نرم‌افزار EES[43] [26] نوشته شده است. برای به دست آوردن مشخصات ترمودینامیکی محلول لیتیوم برماید-آب از روابط موجود در این نرم‌افزار که توسط پاتک و کلومفار [۱۰] معرفی شده مورد استفاده قرار گرفته است.

در تحلیل چیلرهای جذبی فرض‌های زیر در نظر گرفته شده است:

۱- چیلر جذبیتک‌اثره و دو‌اثره در نظر گرفته می‌شود.

۲- کلیه فرایندها در سیکل ترمودینامیکی مربوطه حالت دائم می‌باشند.

۳- سیال عامل سیکل از نوع LiBr-Water می‌باشد.

۴- مبرد خروجی از کندانسور در حالت مایع اشباع و مبرد خروجی از اواپراتور در حالت بخار اشباع می‌باشد.

۵- از انتقال حرارت مستقیم اجزای سیستم با محیط اطراف صرف‌نظر شده است.

۶- افت فشار ناشی از اصطکاک در لوله‌های متصل‌کننده‌ی اجزای سیستم ناچیز است.

۳-۳-معادلات حاکم بر شبیه‌سازی ترمودینامیکی چیلر جذبی تک‌اثره

شکل (۳-۱) شماتیک کلی یک چیلر جذبی تک‌اثره آب‌خنک را نمایش می‌دهد. ابزوربر و کندانسور چیلرهای آب‌خنک توسط جریان آب خنک‌کننده که از برج خنک‌کن می‌آید خنک می‌شود.

۳-۳-۱- معادلات حاکم برای تحلیل انرژی چیلر جذبی تک‌اثره

داده‌های ورودی لازم برای تحلیل انرژی چیلر جذبی مد نظر عبارتند از:

دمای ژنراتور، دمای اواپراتور، دمای کندانسور، دمای ابزوربر، بازده مؤثر مبدل حرارتی، بازده پمپو بار سرمایشی مورد نیاز

برای تحلیل جرم، غلظت و انرژی سیستم تبرید جذبی تک‌اثره معادلات بقای جرم و قانون اول ترمودینامیک را برای آن که به‌ترتیب در زیر آورده شده است، استفاده شده ‌است[۲۷]:

(۳-۱)
(۳-۲)
(۳-۳)

که در معادلات بالا دبی جرمی،غلظت لیتیوم برماید در محلول،آنتالپی،و به‌ترتیب بیانگر جریان ورودی و خروجی در حجم کنترل می‌باشد.

معادلات نوشته‌شده برای اجزاء سیکل تبرید جذبی تک‌اثره به قرار زیر است:

۱) اواپراتور

(۳-۴)
(۳-۵)

که در معادله (۵-۲)، حرارت اواپراتور می‌باشد.

۲) ابزوربر

(۳-۶)
(۳-۷)
(۳-۸)

که در معادلات بالا و به‌ترتیب غلظت لیتیوم برماید در محلول غلیظ (محلولی که میزان آب بیشتری دارد) و محلول رقیق (محلولی که میزان آب کمتری دارد) و حرارت ابزوربر می‌باشد.

۳) پمپ

(۳-۹)
(۳-۱۰)
(۳-۱۱)
(۳-۱۲)

در معادله بالا کار پمپ و حجم مخصوص در نقطه‌ی ۱ می‌باشد.

۴) مبدل حرارتیمحلول

(۳-۱۳)
(۳-۱۴)
(۳-۱۵)
(۳-۱۶)

مقادیر و از رابطه‌های زیر به‌دست می‌آید[۲۸]‌:

(۳-۱۷)
(۳-۱۸)

که در معادله (۳-۱۷)،ظرفیت گرمایی در فشار ثابت می‌باشد.

۵) کندانسور

(۳-۱۹)
(۳-۲۰)

که در معادله (۳-۲۰)، حرارت کندانسور می‌باشد.

۶) شیر انبساط مبرد

(۳-۲۱)
(۳-۲۲)

۷) شیر انبساط محلول

(۳-۲۳)
(۳-۲۴)

۸) ژنراتور

(۳-۲۵)
(۳-۲۶)

که در معادله (۳-۲۶)، حرارت ژنراتور می‌باشد.

و در نهایت راندمان سیکل تک‌اثره از رابطه‌ی زیر به‌دست می‌آید:

(۳-۲۷)

دما نقطه‌ی ۶ تقریبا با دما در نقطه‌ی ۵ برابر در نظر گرفته می‌شود [۲۲]. همچنین دما در نقطه‌ی ۲ با دما در نقطه‌ی ۱ برابر است. با داشتن دمای کندانسور و همچنین فرض مایع اشباع خروجی از آن می‌توان فشار کندانسور و همچنین ژنراتور را به‌دست آورد. برای به‌دست آوردن فشار اواپراتور و ابزوربر هم می‌توان از این روند با داشتن دمای اواپراتور و نیز فرض بخار اشباع خروجی از اواپراتور، استفاده کرد.

با استفاده از نرم‌افزار EES و با داشتن دما و غلظت نقاط ۱ و ۴، می‌توان غلظت ویژه‌ی محلول در این نقاط را به‌دست آورد. همچنین با استفاده از دما و غلظت محلول، حجم مخصوص آن در نقطه‌ی ۱ به‌دست می‌آید.

در محاسبات مربوط به جریان آب خنک تولید شده در اواپراتور می‌توان چنین فرض کرد که دمای جریان آب ورودی به اواپراتور ۸ درجه‌ی سانتی‌گراد و دمای آب سرد خروجی از آن ۳ درجه‌ی سانتی‌گراد از دمای اواپراتور بیشتر است[۱۸]. دبی جرمی آب گردشی در اواپراتور از رابطه‌ی زیر به‌دست می‌آید:

(۳-۲۸)

که در آن و به ترتیب آنتالپیجریان آب ورودی به اواپراتور و خروجی از آن می‌باشد.

در محاسبات مربوط به جریان آب تأمین کننده‌ی گرمای ژنراتور می‌توان چنین فرض کرد که دمای جریان آب ورودی به ژنراتور ۱۸ درجه‌ی سانتی‌گراد و دمای آب خروجی از آن ۱۰ درجه‌ی سانتی‌گراد از دمای ژنراتور بیشتر است[۱۸]. دبی جرمی آب گردشی در ژنراتور از رابطه‌ی زیر به‌دست می‌آید:

(۳-۲۹)

که در آن و به ترتیب آنتالپیجریان آب ورودی به ژنراتور و خروجی از آن می‌باشد.

در محاسبات مربوط به جریان آب خنک‌کننده‌ی ابزوربر و کندانسور در چیلر جذبی آب‌خنک می‌توان چنین فرض کرد که دمای جریان آب خنک‌کننده‌ی ورودی به ابزوربر ۸ درجه‌ی سانتی‌گراد و دمای آب خروجی از کندانسور ۳ درجه‌ی سانتی‌گراد از دمای ابزوربر و کندانسور کمتر است[۱۸]. دبی جرمی آب گردشی در ابزوربر و کندانسور از رابطه‌ی زیر به‌دست می‌آید:

(۳-۳۰)

که در آن و به ترتیب آنتالپیجریان آب ورودی به ابزوربر و خروجی از کندانسور می‌باشد. شرایط ترمودینامیکی نقاط ۱۶ و ۱۷ یکسان است و آنتالپیآن‌ها را می‌توان با نوشتن توازن انرژی برای ابزوربر یا کندانسور به‌دست آورد. با به‌دست آمدن آنتالپی، دما و سایر کمیت‌های ترمودینامیکی این نقاط به دست می‌آید.

۳-۳-۲-تحلیل اکسرژی چیلر جذبی تک‌اثره

اکسرژی به‌صورت حداکثر کار مفید قابل دستیابی از جریان ماده یا انرژی از یک حالت مفروض ترمودینامیکی تا رسیدن به یک حالت ترمودینامیکی مرجع می‌باشد. عوامل متعدد تولید آنتروپی در فرایند‌های واقعی همچون توزیع دما و فشار غیریکنواخت، اصطکاک سیال، انبساط یا انقباض ناگهانی مسیر جریان، اختلاف دمای شدید، آمیختن سیالات مختلف در حجم کنترل و همچنین هدررفت جریان اکسرژی از حجم کنترل می‌تواند بازگشت‌ناپذیری‌های فرایند را سبب شوند. لذا محاسبه‌ی مقدار بازگشت‌ناپذیری در هر جزء سیستم چیلر جذبی می‌تواند کمک شایانی در خصوص تعیین مقدار و اهمیت بازگشت‌ناپذیری هر جزء سیستم و نقش و تأثیر آن در مقدار کل بازگشت‌ناپذیری‌های سیستم داشته باشد. با مشخص شدن بازگشت‌ناپذیری هر جزء می‌توان اجزاء تأثیرگذار سیستم چیلر جذبی را از لحاظ بیشترین مقدار بازگشت‌ناپذیری تشخیص داد و تلاش‌های لازم جهت کاهش بازگشت‌ناپذیری‌ها صرفا معطوف به آن اجزاء تأثیرگذار شود.

اکثر محققان در تحلیل اکسرژی به محاسبه‌ی اکسرژی فیزیکی محلول بسنده می‌کنند. در سال ۲۰۱۴ اوانسیان و عامری [۲۲] علاوه بر محاسبه‌ی اکسرژی فیزیکی به محاسبه‌ی اکسرژی شیمیایی پرداختند.نتایجآن‌هانشان می‌دهد که میزان بازگشت‌ناپذیري در اجزایی که فرایند تجزیهیا انحلال در آن‌ها رخ نمی‌دهد و همچنین تخریب اکسرژي کل سیستم و بازده قانون دوم آن با صرف نظر کردن یا در نظر گرفتن اکسرژي شیمیایی تغییري نمی‌کند، در حالی که میزان تخریب اکسرژي در ژنراتور اندکی افزایش و در ابزوربر اندکی کاهش می‌یابد. بنابراین در تحقیق حاضر با توجه به تأثیر ناچیز اکسرژی شیمیایی بر روی بازده قانون دوم از آن صرف‌نظر شده است.

۳-۳-۲-۱-اکسرژی فیزیکی محلول

اکسرژی فیزیکی جریان سیال به‌صورت زیر معرفی می‌گردد [۱۶ و ۱۵]:

(۳-۳۱)
(۳-۳۲)

که در معادله (۳-۳۱) آنتروپی نقاط مختلف سیکل می باشد و زیر نویس ۰ مربوط به خصوصیات آب خالص در دما و فشار مرجع می باشد (و).

معادله‌ی (۳-۳۲)، مقدار بازگشت‌ناپذیری را در حالت پایا و با صرفنظر از انرژی جنبشی و پتانسیل برای یک حجم کنترل نشان می‌دهد.

معادلات بازگشت‌ناپذیری برای ابزوربر، پمپ، شیر انبساط محلول، مبدل حرارتی محلول، ژنراتور، کندانسور، شیر انبساط مبرد، اواپراتور، کل چیلر جذبی و در نهایت بازده قانون دوم کل چیلر جذبی تک‌اثره به شرح زیر است:

(۳-۳۳)
(۳-۳۴)
(۳-۳۵)
(۳-۳۶)
(۳-۳۷)
(۳-۳۸)
(۳-۳۹)
(۳-۴۰)
(۳-۴۱)
(3-42)

۳-۴-معادلات حاکم بر شبیه‌سازی ترمودینامیکی چیلر جذبی دو‌اثره

شکل (۳-۲) شماتیک کلی یک چیلر جذبی دو‌اثره آب‌خنک را نمایش می‌دهد. ابزوربر و کندانسور چیلرهای آب‌خنک توسط جریان آب خنک‌کننده که از برج خنک‌کن می‌آید خنک می‌شود. چیلر‌های جذبی دو‌اثره برخلاف چیلر‌های جذبی تک‌اثره دارای سه سطح فشار هستند، به‌گونه‌ای که اواپراتور و ابزوربر دارای فشار پایین و ژنراتور HP[44]دارای فشار بالاتر و ژنراتور LP[45] و کندانسور دارای فشار متوسط هستند.

داده‌های ورودی لازم برای تحلیل انرژی چیلر جذبی مد نظر عبارتند از:

دمای ژنراتورفشار بالا، دمای ژنراتورفشار پایین، دمای اواپراتور، دمای کندانسور، دمای ابزوربر، بازده مؤثر مبدل حرارتی، بازده پمپو بار سرمایشی مورد نیاز

همان‌طور که گفته شد چیلر جذبی دارای سه سطح فشار است. از آن‌جا که مبرد (آب) خروجی از اواپراتور (نقطه‌ی ۱۰) بخار اشباع می‌باشد با داشتن دمای اواپراتور می‌توان فشار اواپراتور و ابزوربر را به‌دست آورد. هم‌چنین از آن‌جا که مبرد خروجی از کندانسور (نقطه‌ی ۸) مایع اشباع می‌باشد، با داشتن دمای کندانسور فشار کندانسور حاصل می‌شود. از آن‌جا که شرایط ترمودینامیکی نقطه‌ی ۸ مشخص است آنتاپی آن معلوم می‌باشد، بنابراین با فرض ثابت ماندن آنتالپیدر عبور سیال از شیر انبساط ، آنتالپی نقطه‌ی ۹ به‌دست می‌آید. از طرفی شرایط ترمودینامیکی و در نتیجه آنتالپی سیال در نقطه‌ی ۱۰ نیز مشخص است. با معلوم بودن بار سرمایشی مورد نیاز و به کمک رابطه‌ی (۳-۵) دبی جرمی مبرد عبوری از اواپراتور مشخص می‌شود. با کمک نرم‌افزار EESو با داشتن دما و فشار ابزوربر غلظت محلول خروجی از آن به‌دست می‌آید. از آن‌جا که چیلر جذبی دو‌اثره در سه سطح فشار کار می‌کند. به همین علت از آن‌جا که فشار کاری کندانسور و ژنراتور فشار بالا متفاوت است، به‌دست آوردن غلظت محلول خروجی از ژنراتور فشار بالا با داشتن فشار کندانسور میسر نمی‌باشد. برای ادامه‌ی کار ناچار به استفاده از روش سعی و خطا هستیم، به‌طوری‌که ابتدا غلظت محلول خروجی از ژنراتور فشار بالا را حدس زده و به حل معادلات ترمودینامیکی حاکم بر مسئله می‌پردازیم. اگر توازن انرژی در ژنراتور فشار پایین برقرار باشد حدس اولیه‌ی ما صحیح می‌باشد. در غیر این صورت حدس دیگری برای غلظت محلول خروجی از ژنراتور فشار بالا می‌زنیم و آن‌قدر این روی را تکرار می‌کنیم تا توازن انرژی در ژنراتور فشار پایین برقرار شود[۲۹].

در این‌جا فرض می‌شود مقداری برای غلظت محلول خروجی از ژنراتور فشار بالا حدس زده‌ شده است و با داشتن دمای ژنراتور فشار بالا فشار آن را به‌دست می‌آید. با داشتن دما و غلظت محلول در نقطه‌ی ۱۲ ظرفیت گرمایی ویژه و آنتالپی آن به‌دست می‌آید. آنتالپی مبرد در نقطه‌ی ۱۵ هم با داشتن دما و فشار آن قابل حصول است. می‌توان چنین فرض کرد که مبرد در نقطه‌ی ۱۶ مایع اشباع است و با داشتن فشار، دما و آنتالپی آن را به‌دست آورد. از طرفی با فرض ثابت ماندن آنتالپی در عبور سیال از شیر انبساط، دمای سیال در نقطه‌ی ۱۷ قابل محاسبه است. با دانستن فشار و دما، غلظت و آنتالپی محلول در نقطه‌ی ۴ نیز حاصل می‌شود. با استفاده از غلظت محلول در نقاط ۱ و ۴، دمای محلول در نقطه‌ی ۳ از رابطه‌ی (۳-۴۳) به‌دست می‌آید[۲۸].

(۳-۴۳)

حال با به‌دست آوردن ظرفیت گرمایی محلول در نقاط ۳ و ۱۲ با استفاده از دمای آن‌ها، دمای محلول در نقطه‌ی ۱۱ از رابطه‌ی (۳-۴۴) به‌دست می‌آید [۲۸].

(3-44)

دمای محلول در نقاط ۵ و ۱۳ نیز به ترتیب به وسیله‌ی روابط (۳-۴۵) و (۳-۴۶) به‌دست می‌آید.

(۳-۴۵)
(۳-۴۶)

می‌توان دمای سیال در نقاط ۱۳ و ۱۴ را برابر در نظر گرفت. با فرض‌ها و محاسباتی که تاکنون صورت گرفته است، شرایط ترمودینامیکی تمام نقاط سیکل جذبی مشخص شده است. حال با نوشتن قانون بقای انرژی برای ژنراتور فشار پایین، می‌توان صحت مقدار در نظر گرفته شده برای غلظت محلول خروجی از ژنراتور فشار بالا را مورد ارزیابی قرار داد. در واقع عمل سعی و خطا باید آن‌قدر ادامه پیدا کند تا قانون بقای انرژی در ژنراتور فشار پایین برقرار شود. پس از برقراری بقای انرژی در ژنراتور فشار پایین، و با به دست آوردن آنتالپی نقطه‌ی ۲ با استفاده از معادله‌ی (۳-۴۷)، توان مصرفی پمپ چیلر جذبی از رابطه‌ی (۳-۴۸) حاصل می‌شود.

(۳-۴۷)
(۳-۴۸)

در نهایت توان گرمایی ایجاد شده در کندانسور و ابزوربر، توان گرمایی مصرفی در ژنراتور فشار بالا و ضریب عملکرد چیلر جذبی توسط روابط (۳-۴۹) تا (۳-۵۲) به‌دست می‌آید [۲۷]:

(۳-۴۹)
(۳-۵۰)
(۳-۵۱)
(۳-۵۲)

محاسبات مربوط به جریان آب خنک تولید شده در اواپراتور، جریان آب تأمین‌کننده‌ی گرمای ژنراتور فشار بالا آب داغ، جریان آب خنک‌کننده‌ی ابزوربر و کندانسور چیلرهای آب‌خنک دو‌اثره کاملا مشابه چیلرهای جذبی تک‌اثره است که قبلا به توضیح آن پرداخته شده است.

۳-۴-۱-تحلیل اکسرژی چیلر جذبی دو‌اثره

معادلات بازگشت‌ناپذیری برای ابزوربر، پمپ، شیرهای انبساط محلول، شیرهای انبساط مبرد، مبدل‌های حرارتی محلول، ژنراتور فشار بالا، ژنراتور فشار پایین، کندانسور، اواپراتور ، کل چیلر جذبی و در نهایت بازده قانون دوم کل چیلر جذبی دو‌اثره به شرح زیر است [۱۴]:

(۳-۵۳)
(۳-۵۴)
(۳-۵۵)
(۳-۵۶)
(۳-۵۷)
(۳-۵۸)
(۳-۵۹)
(۳-۶۰)
(۳-۶۱)
(۳-۶۲)
(۳-۶۳)
(۳-۶۴)
(۳-۶۵)
(3-66)

۳-۵-بازیاب حرارت اتلافی بویلر نیروگاه حرارتی

در نیروگاه‌های حرارتی از قسمت بویلر حرارت زیادی تلف می‌شود که به صورت گازهای خروجی از دودکش با دمای بالا و بدون استفاده وارد محیط زیست می‌شود. در این قسمت به استفاده از این گازها برای چیلرهای جذبی پرداخته شده است.

۳-۵-۱- گازهای خروجی از دودکش نیروگاه بخار

با توجه به این موضوع که منبع تآمین حرارت در چیلرهای جذبی تک‌اثره و دو‌اثره می‌تواند به‌صورت آب داغ، بخار داغ با فشار مطلوب (برای چیلرهای جذبی تک‌اثره یک اتمسفر و برای چیلرهای جذبی دو‌اثره تقریبا برابر با ۸ اتمسفر می‌باشد) باشد و امکان فرستادن مستقیم گازهای خروجی از دودکش نیروگاه‌های بخار به داخل ژنراتور این چیلرها به‌دلیل وجود مشکلاتی نظیر از بین بردن لوله‌های ژنراتور و نشتی از احتمال کمی برخوردار است، در این پژوهش از داده‌های پالایشگاه نیروگاه بخار اصفهان[۳۰] برای تولید آب داغ ورودی به ژنراتور استفاده شده است. جدول (۳-۱) و جدول (۳-۲) به ترتیب درصدمولياجزايهوادرشرايط (و) و درصد مولی اجزای گاز طبیعی بویلرها را نشان می‌دهند.

جدول ۳-۱٫ درصدمولياجزايهوادرشرايط ( و)

۲۰۵۵/۰	اکسیژن
۷۶۶۲/۰	نیتروژن
۰۱۸۸/۰	آب
۰۰۰۳/۰	دی‌اکسید‌کربن
۰۰۹۲/۰	بقیه

جدول ۳-۲٫ درصد مولی اجزای گاز طبیعی بویلرها

۵/۴۷%	متان
۲/۸%	اتان
6/8%	پروپان
۷/۳%	n- بوتان
۸/۰%	n- پنتان
۲۸%	هیدروژن
۲/۳%	نیتروژن
۱۰۰%	کل

بالانس معادله‌ی سوخت در حالت شرایط هوای اضافی ۳۹% و رطوبت نسبی ۶۰% به‌صورت زیر می‌باشد:[۲۹]

(۴۷٫۵% CH4 +8.2% C2H6 + 8.6% C3H8 + 3.7% C4H10 +0.8% C5H12 + 28% H2 + 3.2% N2) + 2.933 (O2 + 3.7 N2 +0.09026 H2O) → ۱٫۰۸۵ CO2 + 2.323 H2O + 11.27 N2 +0.8784 O2

گاز‌های خروجی از دودکش با درصد مولی مشخص در فراورده‌های معادله بالا ظاهر شده است. در ادامه طریقه‌ی استفاده از این گاز‌ها به منظور استفاده در چیلرهای جذبی مورد بررسی قرار گرفته است.

۳-۵-۲- فرستادن مستقیم گاز خروجی از دودکش به داخل لوله‌های ژنراتور

فرستادن مستقیم گاز به داخل لوله‌های ژنراتوربنا به دلایل زیر از امکان کمی برخوردار است:

۱) گازها حاوی مواد خطرناک و رسوب‌زا می‌باشندو باعث نشتی لوله‌های ژنراتور می‌شوند.

۲) گازهای خروجی باید به‌صورت دائم و با دمای مد نظر وارد لوله‌های ژنراتور شوند.

۳) نیاز به اطلاعات دقیق یک نیروگاه برای محاسبات دقیق، طراحی‌ دستی یک مبدل و ساخت مبدل (با توجه به این موضوع که آیا ساخت مبدل طراحی‌شده امکان‌پذیر هست یا نه) دارد.

۳-۵-۳- فرستادن گاز خروجی از دودکش به داخل مبدل حرارتی و تأمین آب داغ برای ژنراتور

یکی از راه‌های تأمین حرارت مورد نیاز برای چیلرهای جذبی، آب داغ می‌باشد. آب داغ ورودی به ژنراتور و خروجی از ژنراتور دارای دمای مشخص [۱۸] می‌باشندو با توجه به معلوم بودن از تحلیل سیکل، مقدار دبی مورد نیاز آب داغ از رابطه‌ی زیربه‌دست می‌آید:

(۳-۶۷)

تأمین آب داغ برای چیلر جذبی دو‌اثره با توجه به دمای بالای آب داغ ورودی به ژنراتور فشار بالا [۱۸] به‌علت هزینه‌ی زیاد بوجود آمده توسط گرم‌کن در سیستم طراحی‌شده مقرون به صرفه نمی‌باشد.با توجه به شکل (۳-۳) مسیر زیر برای تأمین آب داغ مورد نیاز برای ورود به ژنراتور چیلر جذبی تک‌اثره طراحی شده است:

همان‌طور که در شکل (۳-۳) مشاهده می‌شود در چرخه‌ی اول گاز خروجی از دودکش نیروگاه بخار با دما، فشار و دبی مشخص وارد لوله و آب نیز با دما، فشار و دبی معلوم وارد پوسته‌یمبدل حرارتی شده و تا دمایی که از تحلیل و طراحی مبدل توسط نرم‌افزار ASPEN به‌دست می‌آید، گرم می‌شود. سپس از آن‌جا وارد گرم‌کن شده و به دمای مد‌نظر برای وارد شدن به ژنراتور می‌رسد، آب داغ از ژنراتور با دمای مشخص خارج شده و برای تأمین فشار از دست رفته، در طول مبدل حرارتی و ژنراتور وارد پمپ می‌شود. آب داغ خروجی از پمپ در چرخه‌‌های بعدی وارد مبدل شده و با تبادل حرارت با گاز،از مبدل با دمای معلومبیرون می‌آید. حال با عبور آب داغ از سنسور دمایی قبل گرم‌کن، اگر دمای آب داغ برابر با دمای ورودی مدنظر به ژنراتور باشد گرم‌کن خاموش و در غیر این‌صورت گرم‌کن روشن می‌شود و به دمای مد نظر می‌رساند.در ادامه به معادلات حاکم بر مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله پرداخته می‌شود.

[۱] Absorption Refrigeration System

[۲] Michael Faraday

[۳]Recuperative

[۴]Regenerative

[۵]Tubular Exchanger Manufacturers Association

[۶]Front Stationary Head

[۷]Rear Head

[۸]Fixed tube sheet

[۹] U tube

[۱۰] Floating head

[۱۱]Tie rod

[۱۲]Tie rod

[۱۳] Baffle

[۱۴]Single segmental

[۱۵]Double segmental

[۱۶]Triple segmental

[۱۷] Koehler

[۱۸] Ghaddar

[۱۹] Yoon

[۲۰] Hwang

[۲۱] Moreira

[۲۲] Patek

[۲۳] Klomfar

[۲۴] Tomasz

[۲۵] Poznan

[۲۶] Kaynakli

[۲۷] Kilic

[۲۸] Gomri

[۲۹] Hakimi

[۳۰] Kaushik

[۳۱] Arora

[۳۲] Palacios

[۳۳] Garousi Farshi

[۳۴]Reverse parallel flow

[۳۵] Myat

[۳۶] Seyfouri

[۳۷] Ameri

[۳۸] Popli

[۳۹] Avanessian

[۴۰] Chougui

[۴۱] Zid

[۴۲] Shirazi

[۴۳]Engineering Equations Solver

[۴۴] High pressure

[۴۵] Low pressure










  برای دانلود و مطالعه کامل فایل در قالب فایل ورد قابل ویرایش و پی دی اف کلیک کنید

بزار لایکش کنم 3

اشتراک گذاری


(b)	(a)
شکل ۲-۱۲٫ a) حجم کنترل مربوط به تحلیل ترمودینامیکی سیستم تک‌اثره b) حجم کنترل مربوط به تحلیل ترمودینامیکی سیستم دو‌اثره مورد مطالعه‌ی پالاسیوس و همکاران [۱۷]

شکل ۲-۱۶٫ شماتیک یک کولر تبخیری و یک سیستم تبرید جذبی تک‌اثره‌ی لیتیوم برماید – آب برای سرمایش هوای ورودی به کمپرسور توربین بخار در یک نیروگاه نفت و گاز [۲۱]