آیس بانک چیست؟ کاربرد آن در صنایع غذایی و تهویه مطبوع

آیس بانک Ice Bank:

سیستم آیس بانک دستگاهی با قابلیت ذخیره سازی آب و یخ می باشد که جهت سرمایش و تبادل با محصول در کارخانجات و صنایع مختلف به کار می رود. همچنین بر اساس نوع کاربری می توان از موتور کمپرسورها و کندانسور های متفاوت برای ساخت استفاده نمود.

موارد استفاده از آیس بانک:

1. صنایع غذایی و خط تولید لبنی
2. صنایع دامداری و کشاورزی
3. صنایع شمیایی، دارویی و بهداشتی
4. صنایع تهویه هوا و ساختمان سازی

 آیس بانک چیست؟ کاربرد آن در صنایع غذایی و تهویه مطبوع

یس بانک (Ice bank) یا به عبارتی سیستم ذخیره سازی انرژی برودتیِ یخ، مکانیزمی است نسبتاً جدید به منظور بهینه سازی مصرف انرژی که در تهویه مطبوع و برودت صنعتی، در کنار چیلر تراکمی به منظور کاهش مصرف برق مورد بهره برداری قرار می گیرد. همچنین این سیستم، مشخصاً در صنایع غذایی بخصوص صنعت لبنیات نیز بسیار پرکاربرد بوده و در فرایند های مختلفِ تولید محصولات لبنی مورد استفاده قرار می گیرد.

توجه داشته باشید که آیس بانک یک روش ذخیره سازی انرژی گرمایی (Thermal Energy Storage = TES) در دمای پایین می باشد. ممکن است این موضوع کمی در ابتدا عجیب به نظر برسد که چطور یک مکانیزم تولید سرما، نوعی سیستم ذخیره سازی گرما محسوب می شود؟ اما دلیل این موضوع ساده است. سرما مفهوم فیزیکی ندارد و در واقع نبود یا کاهش انرژِی گرمایی سبب کاهش دما و ایجاد سرما می شود. به همین دلیل آیس بانک یک نوع سیستم ذخیره سازی گرما در دمای پایین به حساب می آید. به عبارت دیگر، تولید یخ در آیس بانک نتیجه و محصول نبود گرماست و ما در این روش پس از تولید یخ (ذخیره گرما در دمای پایین) سعی داریم از انرژی برودتی آن در زمان دیگری استفاده کنیم.

در تهویه مطبوع و برودت صنعتی یکی از چالش های موجود، میزان مصرف برق چیلرهای تراکمی است، اعم از چیلر تراکمی هوا خنک، چیلر تراکمی آب خنک و یا حتی مینی چیلرها. کمپرسور موجود در سیکل تبرید تراکمیِ این دستگاه ها، بیشترین سهم برق مصرفی را دارد.

از طرفی چون کاربرد چیلرها در سرمایش واحدهای مسکونی، تجاری، اداری و حتی برودت صنعتی مدام رو به افزایش بوده و استفاده از آنها بسیار رایج شده است، بکارگیریِ آیس بانک ها (بخصوص در پروژه های بزرگ) نیز روز به روز در حال توسعه می باشد. بعلاوه افزایش هزینه و تعرفۀ انرژی ها از جمله انرژی الکتریسیته (برق) سبب گسترش بیشتر استفاده از آیس بانک ها شده است. آیس بانک در تهویه مطبوع با عنوان سیستم ذخیره سازی یخ (Ice storage system) نیز شناخته می شود.

البته باید توجه داشته باشیم که آیس بانک ها در مدل های مختلفی تولید می شوند و این تکنولوژی در صنایع دیگری از جمله صنایع غذایی به ویژه کارخانه های لبنیات و سالن های تولید قارچ نیز کاربرد دارد. اما در این مقاله عمدۀ بررسی های ما بر روی آیس بانک های قابل استفاده در پروژه های تهویه مطبوع خواهد بود. به همین دلیل ابتدا یک سیستم سرمایشی رایج که در آن از چیلر استفاده شده است را بررسی می کنیم.

همانطور که در مقاله چیلر توضیح داده بودیم، بار برودتی که همان گرمای موجود در داخل ساختمان بوده و یا می تواند ناشی از یک فرآیند صنعتی باشد، از طریق جریان آبی که توسط چیلر خنک شده است جذب می شود. اینگونه دمای آب بالا رفته، مجدداً برای خنک شدن به چیلر باز می گردد و این سیکل به همین ترتیب تکرار می شود.

سیستم مرسومِ استفاده از چیلر برای جذب بار برودتی (بدون آیس بانک(

در تصویر زیر چیلر، این بار بهمراه مخزن آیس بانک برای جذب بار برودتی استفاده شده اند. بنابراین می توان بار برودتی را به سه روش جذب نمود:

• صرفاً به وسیله خود چیلر
• صرفاً از طریق آیس بانک
• با استفادۀ همزمان از چیلر و آیس بانک

مکانیزم استفاده از چیلر و آیس بانک برای جذب بار برودتی

در ساعت هایی از طول روز که مصرف برق بالاست و تعرفۀ قیمت آن نیز بمراتب بیشتر است، سعی می کنیم به وسیله آیس بانک فرآیند سرمایش (جذب بار برودتی) را به طور کامل یا جزئی انجام داده و از طرفی در ساعت هایی که مصرف و هزینۀ برق پایین است (فاصلۀ شب تا صبح)، از چیلر برای تولید یخ استفاده کنیم. این روش در روزهای گرم سال مانند فصل بهار و به ویژه فصل تابستان به خوبی باعث کاهش هزینه های مصرف برق خواهد شد.

در سیستم های تهویه مطبوع، آیس بانک گلیکولی (Glycol-Based) بسیار رایج است. گلیکول در واقع  یک نوع ترکیب از خانواده الکل است و به همین دلیل در ساخت ضد یخ های صنعتی بسیار پر کاربرد می باشد. زمانی که قرار است آب را به یخ تبدیل کنیم به مایعی نیاز داریم که قاعدتاً دمای انجماد آن کمتر از دمای انجماد آب یعنی صفر درجۀ سانتی گراد (در فشار 1Bar) باشد.

اجزا و ساختار آیس بانک:

آیس بانک ها شامل اجزا و ساختار پیچیده ای نیستند و مهم ترین قسمت تشکیل دهندۀ آن همان مخازن ذخیره یخ و کویل برودتیِ موجود در این مخازن می باشد. البته تعدادی شیر کنترلی نیز در مدار دستگاه نصب می شوند. ممکن است با توجه به نوع سیستم و فرآیندی که قصد داریم در کنار آن ها از مخزن یخ استفاده کنیم، یک سری قطعات جانبی اضافه یا حذف شوند، اما مخزن و کویل یا همان مبدل جرارتی موجود در مخزن دو مؤلفۀ اصلی آیس بانک ها به حساب می آیند.

تانک یخ و کویل موجود در آن

تانک یا مخزن یخ در سیستم های ذخیره سازی یخ (آیس بانک) در انواع گوناگون، مطابق با فضای موجود و البته نیاز پروژه در نظر گرفته می شود، اما رایج ترین آن ها در سیستم های گلیکولی، مخازن استوانه ای استاتیک است که کویل یا مبدل حرارتی در داخل آن قرار می گیرد. لوله های کویل داخل مخزن معمولا از جنس فولاد، پلی اتیلن یا پلی پروپیلن می باشند.

ساختار و اجزای آیس بانک

با توجه به شکل فوق مشخص است که در طول روز، بار برودتی داخل ساختمان از طریق فن کویل ها و یا هواسازها جذب شده و جریان آبی که گرمای داخل ساختمان را جذب کرده مجدداً به چیلر باز می گردد تا دمایش از طریق دفع گرما به محیط کاهش یابد. به همین دلیل چیلر را یک ماشین انتقال گرما یا پمپ انرژی می نامند. اما تفاوت مکانیزم فوق در مقایسه با شرایط مرسوم این است که بخشی از کاهش دمای آب برگشتی از ساختمان، توسط آیس بانک و به کمک ذوب یخ های ذخیره شده اتفاق می افتد. در ادامه توضیح خواهیم داد که این نوع از ذخیره سازی یخ را Partial storage (ذخیره سازی جزئی) می نامند.

اگرچه آیس بانک ها ساختارساده ای دارند، اما می بایست توجه داشت که طراحی و تولید اصولی آنها، رعایت الزامات مربوط به اتصالات و همچنین اعمال درست فرآیندهای کنترلیِ لازم، اهمیت بسیاری در بهره برداری درست از سیستم ذخیره سازیِ یخ خواهند داشت.

نحوۀ عملکرد و کارکرد آیس بانک:

پس از آشنایی با اجزا و نحوۀ بکارگیریِ آیس بانک، ممکن است این سؤال برای شما پیش بیاید که یخ موجود در آیس بانک ها چگونه و با چه روشی تولید می شود؟

در سال های گذشته، آیس بانک های بکار رفته در صنعت، عمدتاً از نوع DX بوده اند. به این معنا که بجای چیلر از کندانسینگ یونیت برای تولید یخ در آنها استفاده می شد. اما، امروزه در تمامی پروژه های تهویه مطبوع و حتی در برودت صنعتی، آیس بانک های گلیکولی، بکار گرفته می شوند. یعنی برای آنکه بتوان بجای مبرد، جریان آب را با دمای مورد نیاز (حدود 5- درجۀ سانتی گراد) توسط چیلر تولید نمود و برای تولید یخ از داخل کویل آیس بانک عبور داد، درصدی گلیکول (ضد یخ) به جریان آب اضافه می شود. این چنین با عبور آب و گلیکولِ 5- درجۀ سانتی گرادی از داخل لوله های کویل آیس بانک، آب موجود در مخزن یخ زده و آمادۀ ذخیره سازی خواهد شد.

به طور معمول ماده گلیکولی 25% و آب 75% این ترکیب را تشکیل می دهند. نقطه انجماد این محلول حدود منفی 12 درجه سانتی گراد است.

 هدف اصلی از بکارگیری آیس بانک در پروژه های تهویه مطبوع، کاهش هزینه های تأمین و مصرف برق می باشد. اما، سؤال اینجاست که مگر برای تولید یخ در آیس بانک از خود چیلر استفاده نمی شود. پس چطور میزان برق مورد نیاز و نیز هزینه های برق مصرفی در سیستم دخیره سازی یخ کاهش می یابد؟

پیش از این نیز توضیح داده شد که تعرفۀ برق در ساعات کم مصرف (شب تا صبح) بمراتب کمتر از طول روز است. نمودار زیر مربوط به منحنی بار برودتیِ یک ساختمان در طول 24 ساعت می باشد. همانطور که مشاهده می کنید، از حدود ساعت 6 بعد از ظهر به بعد، بار برودتی به شدت کاهش یافته و در ساعات 12 شب تا 6 صبح تقریباً بار برودتی صفر است. ساعاتی که مصرف برقِ شبکۀ شهری حداقل بوده و بهمین علت تعرفۀ برق بین 2 تا 5 برابر ارزانتر است. تولید یخ در آیس بانک درست در همین ساعات اتفاق می افتد. بنابراین ما با هزینۀ بسیار کمتری یخ را تولید کرده و از انرژی برودتی آن در طول روز (بخصوص ساعات اوج بار برودتی) که هزینۀ مصرف برق به مراتب بیشتر است، استفاده می کنیم.