چکیده
در این پروژه تحلیل ترمودینامیکی بر روی سیستم تبرید آبشاری با استفاده از مبرد کربن دیاکسید-آمونیاک انجام شده است. پارامترهای عملیاتی این سیستم شامل، 1) دماهای کندانسور، مادونسرد، اواپراتور و سوپرهیت برای سیستم تبرید دما بالا با مبرد آمونیاک، 2) اختلاف دمای مبدل حرارتی آبشاری و 3) دماهای اواپراتور، سوپرهیت، کندانسور و مادونسرد برای سیستم تبرید دما پایین با مبرد کربن دیاکسید هستند. طراحی سیستم بر اساس صورت گرفته است و همچنین بر اساس دمای کندانسور آبشاری و با اختلاف دمای 3 و 4 و 5 کلوین، COP سیستم محاسبه شده است.
کلمات کلیدی: سیستم تبرید آبشاری، ضریب عملکرد، پارامترهای عملیاتی
فهرست عناوین صفحه
فصل 1 – مقدمه و کلیات 1
1-1- تبرید و سامانه تبرید 2
1-2- انواع سیکل تبرید 2
1-2-1- سیکل ایدهآل تبرید (تبرید کارنو) 2
1-2-2- سیکل تراکم بخار ایدهآل تکمرحلهای 4
1-2-3- سامانه تراکم بخار تکمرحلهای 7
1-2-4- سیکل تبرید جذبی 8
1-3- کاربردهای تبرید 9
1-3-1- تبرید خانگی 9
1-3-2- تبرید تجاری 9
1-3-3- تبرید صنعتی 9
1-3-4- تبرید حملونقل 10
1-3-5- تهویه مطبوع 10
1-3-6- تهویه صنعتی 10
فصل 2 – پیشینه ادبیات تحقیق 11
فصل 3 – معادلات حاکم 17
3-1- آنالیز ترمودینامیکی 21
3-2- معادلات حاکم 21
فصل 4 – نتیجهگیری 26
مراجع 33
فهرست شکلها صفحه
شکل 1-1- سیکل تبرید ایده آل 3
شکل 1-2- سیکل کارنو با گاز 3
شکل 1-3- سیکل تراکم بخار تک مرحله ای 5
شکل 1-4- نمودار P-h سیکل تراکم بخار تک مرحله ای 6
شکل 1-5- نمودار T-s سیکل تراکم بخار تکمرحلهای 6
شکل 1-6- سیکل تراکم بخار چندمرحله ای 7
شکل 1-7- نمودار P-h سیکل آبشاری 8
شکل 2-1 سیکل آبشاری دو مرحله ای 14
شکل 2-2 سیستم تبرید پروپلین 15
شکل 3-1- دیاگرام سیستم تبرید آبشاری CO2/NH3 19
شکل 3-2- الف) دیاگرام متناظر با T-s ب) دیاگرام متناظر با P-h – سیستم تبرید آبشاری CO2/NH3 20
شکل 4-1 ضریب عملکرد برحسب دمای کندانسور آبشاری 27
شکل 4-2- نمودار COP برحسب TMC برای چرخه دما پایین و چرخه دما بالا 28
شکل 4-3- نمودار ضریب عملکرد کلی سیستم بر حسب دمای کندانسور آبشاری 29
شکل 4-4- نمودار ضریب عملکرد بیشینه بر حسب دمای کندانسور چرخه دما بالا 30
شکل 4-5- نمودار ضریب عملکرد بیشینه بر حسب دمای اوپراتور چرخه دما پایین 30
شکل 4-6 ضریب عملکرد برحسب دمای کندانسور آبشاری برای سیستم آبشاری 31
فهرست جداول صفحه
جدول 4-1- نتایج سیستم آبشاری آمونیاک-کربن دی اکسید 32
فصل 1 – مقدمه و کلیات
1-1- تبرید و سامانه تبرید
تبرید یک اقدام خنک سازی است و در عمل نیاز به دفع گرما و رها کردن آن در دما بالاتر دارد بنابراین تبرید علم انتقال حرارت از دمای پایین به دمای بالا است [2]. به عبارت دیگر تبرید یک عملیات استخراج گرما از منبع حرارت دماپایین تعریف می شود. سعدی کارنو اولین دانشمندی بود که پیشنهادی مبنی بر وجود رابطه بین دمای کار و گرما داد، سیکلی را معرفی کرد که سیکل تبرید ایده آل نامیده شد. فنّاوری تبرید علاوه بر کاربرد در چیلر و فریزر، در تهویه مطبوع1 و پمپ های حرارتی2 نیز بکار می رود. به سامانه ای که مجموعه ای از اجزا و تجهیزات برای تولید اثرات تبرید باشد سامانه تبرید3 می گویند.
1-2- انواع سیکل تبرید
هدف از به وجود آوردن این گونه سامانه ها، تولید تبرید است و برای هر سیکلی اجزای مختلفی است که در ادامه به آن اشاره خواهد شد. سیکل های تبرید بر اساس نوع مبرد و کارایی تقسیم بندی شده اند و هرکدام نیز می تواند تقسیم بندی جداگانه داشته باشد مثلاً با توجه به تعداد مراحل و غیره. در ادامه به معرفی انواع سیکل تبرید پرداخته میشود.
1-2-1- سیکل ایدهآل تبرید (تبرید کارنو)
سیکل تبرید کارنو معکوس سیکل موتور است. همه فرایندهای سیکل تبرید کارنو بازگشت پذیر بوده بنابراین بیشترین راندمان را بین سیکل های تبرید را دارد.
شکل 1-1 الگویی از سامانه تبرید کارنو و شکل 1-2 الگویی از سیکل کارنو (با گاز سیال عامل) را نشان میدهد که تشکیل شده از چهار فرآیند بازگشتپذیر زیر است:
1. فرآیند 1-4 که دما ثابت انجام می شود و گرماگیر است.
2. فرآیند تراکم آیزنتروپیک 2-1 (آنتروپی ثابت).
3. فرآیند 3-2 دما ثابت و گرماده است.
4. فرآیند انبساط آیزنتروپیک 4-3.
شکل 1-1- سیکل تبرید ایده آل
شکل 1-2- سیکل کارنو با گاز
1-2-2- سیکل تراکم بخار ایدهآل تکمرحلهای
سیکل کارنو در کارای واقعی برای سیکل بخار مناسب نیست زیرا در طی تراکم مبرد دوفازی، لجن مایع ایجاد میشود. بعلاوه، مخلوط، عمدتاً مایع، وقتی در موتور گرمایی بعد چگالش انبساط مییابد به مقدار کمی کار می کند. بنابراین، بجای سیکل کارنو از سیکل تراکم بخار ایده آل تک مرحله ای استفاده می شود.
شکل 1-3 یک سیکل تراکم بخار تک مرحله ای، تراکم در ناحیه فوق گرم را نشان میدهد. دستگاه خفانش، مثل شیر انبساط، بجای موتور گرمایی استفاده شده است. تک مرحله، یعنی تنها یک مرحله تراکم وجود دارد. در سیکل ایدهآل فرایند تراکم سازی آیزنتروپیک و از اتلاف فشار در خط لوله، شیرها و اجزای دیگر صرف نظر شده است.
در سامانه تراکم بخار چهار اجزای اصلی وجود دارد. آنها اواپراتور4، کمپرسور، کندانسور و دستگاهانبساط هستند. حرارت در اواپراتور به سامانه داده میشود و در کندانسور گرما از سامانه خارج میشود. دفع و جذب گرما در مبردهای مختلف باهم متفاوت است.
سیکل تراکم بخار استاندارد شامل چهار فرایند زیر است:
* تراکم آدیاباتیک برگشت پذیر به واسطه بخار اشباع در فشار کمپرسور
* دفع حرارت برگشت پذیر در فشارثابت به دلیل چگالش
* انبساط برگشت ناپذیر در آنتالپی ثابت به واسطه مایع اشباع در فشار اواپراتور
* جذب گرما برگشت پذیر در فشارثابت به دلیل تبخیر در بخار اشباع
شکل 1-3- سیکل تراکم بخار تک مرحله ای
در شکل 1-4 محور عمودی P و محور افقی h را نمایش میدهد. منحنی اشباع مرز مایع خالص و گاز خالص، یا بخار را از هم جدا کرده است. در این نمودار منظور از بخار، بخار فوق گرم و منظور از مایع، مایع مادون سرد است. بالاتر از فشار بحرانی تمایزی بین مایع و بخار نیست.
در شکل 1-5 نمودار T-s نمایش داده شده که در آن خفانش در فرآیند آنتالپی ثابت رخ میدهد. یعنی هیچ گرمایی جذب یا دفع نمیشود فقط مایع از داخل شیر عبور خواهد کرد بعد از خفانش هیچ کاری برای بازیابی انرژی انجام نمیشود این عامل انحراف از سیکل ایدهآل است. در سیکل تراکمی بخار ایدهآل، فرایند اختناق در شیر اختناق تنها یک فرایند بازگشت ناپذیر است، معمولاً با خطچین نمایش داده میشود.
شکل 1-4- نمودار P-h سیکل تراکم بخار تک مرحله ای
شکل 1-5- نمودار T-s سیکل تراکم بخار تکمرحلهای
1-2-3- سامانه تراکم بخار تکمرحلهای
وقتی در سامانه تبرید بیش از یک مرحله تراکم وجود داشته باشد، سامانه چندمرحله ای نامیده می شود (شکل 1-6) که شامل موارد زیر است:
1. یک کمپرسور مرحله بالا و یک کمپرسور مرحله پایین.
2. اتصال چندین کمپرسور به شکل سری.
3. استفاده از دو یا چند توربین که به شکل سری به هم وصل شدهاند و توسط همان موتور یا موتور اصلی به حرکت میفتند.
4. ترکیب دو سامانه تبرید جدا از هم.
سامانه تراکم بخار چندمرحله ای، به دو گروه سامانه ترکیبی یا سامانه آبشاری طبقه بندی میشوند.
شکل 1-6- سیکل تراکم بخار چندمرحله ای
سامانه آبشاری شامل، دو سامانه تبرید تک مرحله ای جدا از هم است: سامانه پایینتر که بهتر در دمای تبخیر کمتر میتواند کار میکند و سامانه بالاتر که در دمای تبخیر بالاتر بهتر عمل میکند. این دو سامانه با یک کندانسور آبشاری به متصل هستند که برای سامانه بالایی نقش اواپراتور و برای سامانه پایینی نقش کندانسور را دارد.
مزیت اصلی سامانه آبشاری، استفاده از مبردها، تجهیزات و روغنهای مختلف برای هر دو سامانه بالایی و پایینی است. عیب این سامانه یکی بودن دمای چگالش سامانه پایینی با دمای تبخیر سامانه بالایی است وقتی در کندانسور آبشاری انتقال حرارت صورت میگیرد. این یکسان بودن دما باعث مصرف انرژی بیشتر میشود، همچنین سامانه آبشاری نسبت به سامانه ترکیبی پیچیدهتر است. نمودار الگویی در شکل 1-7 یک سامانه آبشاری را نشان میدهد.
شکل 1-7- نمودار P-h سیکل آبشاری
1-2-4- سیکل تبرید جذبی
سامانه جذبی بخار یک روش جذاب برای استفاده مستقیم از انرژی درجه پایین برای سرمایش است. بر اساس مبرد و ماده جاذب کار میکند و مطابق با مبرد استفاده شده در سیکل جذبی، ماده جاذب نیز تغییر میکند.
ازجمله مبرد و ماده جاذب پرکاربرد میتوان به آب و لیتیم بروماید، آمونیاک و آب، آب و سیلیکا ژل اشاره کرد. مزیت اصلی آن در مقایسه با سامانه تراکم بخار معمول، کار در انرژی درجه بالا است. ویژگی دیگر این سامانه ها، عدم استفاده از اجزای متحرک به جز یک پمپ خیلی کوچک است. سامانه جذبی بخار شامل چهار اجزای اصلی اواپراتور، جاذب (در سمت فشار پایین)، ژنراتور و کمپرسور (در سمت فشار بالا) است.
1-3- کاربردهای تبرید
برای سهولت مطالعه سیستم تبرید میتوان کاربردهای تبرید را به شش گروه اصلی تقسیم نمود:
۱) تبرید خانگی ۲) تبرید تجاری ۳) تبرید صنعتی ۴) تبرید حملونقل ۵) تهویه مطبوع ساختمانها ۶) تهویه صنعتی.
1-3-1- تبرید خانگی
وسعت تبرید خانگی محدود میباشد و بطور عمده به یخچال و فریزرهای خانگی مربوط میشود ولی به دلیل کثرت استفاده، بخش قابل ملاحظهای از بحث تبرید را شامل میشود.
دستگاههای تبرید خانگی معمولاً کوچک هستند و با ظرفیتهای ورودی ۳۵ تا ۳۷۵ وات تولید میشوند. در این دستگاهها از کمپرسورهای بسته استفاده میشود.
به دلیل آشنایی عموم با این دستگاهها بیش از این درباره آنها بحث نمیشود ولی مسائلی که به طراحی و نگهداری آنها مربوط میشود در فصول مختلف مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
1-3-2- تبرید تجاری
تبرید تجاری به طراحی، ساخت، نصب و تعمیر دستگاههای سردکننده مورد استفاده در مغازهها، رستورانها، هتلها و موسسات تهیه و تولید مواد غذایی و فاسد شدنی محدود میشود.
1-3-3- تبرید صنعتی
به دلیل مشخص نبودن حدود دقیق تبرید صنعتی و تجاری، اغلب آنها را با یکدیگر اشتباه میکنند. بهطور کلی دستگاههای تبرید صنعتی از نظر اندازه بزرگتر از دستگاههای تجاری هستند و یک نفر تکنسین با تجربه از آنها نگهداری مینماید. از نمونههای معمول تبرید صنعتی، واحدهای یخسازی، بستهبندی مواد پروتئینی بزرگ (گوشت، ماهی، مرغ، غذاهای منجمد و غیره)، نوشابهسازی، بستنیسازی و واحدهای صنعتی نظیر پالایشگاههای روغن، واحدهای شیمیایی، واحدهای لاستیکسازی و غیره است.
1-3-4- تبرید حملونقل
قسمتی از کاربردهای این گروه را میتوان بهعنوان شاخهای از تبرید تجاری و قسمتی دیگر را شاخهای از تبرید صنعتی در نظر گرفت. به هر صورت، هردو مورد به اندازه کافی وسیع و قابل توجه هستند. تبرید کشتیها در کشتیهای صیادی و مخازن حملونقل محصولات فاسد شدنی مشاهده میشود. تبرید حملونقل به تجهیزات تبرید مورد استفاده در کامیونها برای حملونقل طولانی یا محلی و واگنهای راهآهن مربوط میشود.
1-3-5- تهویه مطبوع
بهطوری که از اسم تهویه مطبوع بر میآید، این مقوله با شرایط هوا در نواحی یا فضاهای مورد نظر در ارتباط است و نه تنها کنترل دما بلکه کنترل رطوبت و سرعت وزش هوا را نیز به همراه تصفیه و تمیز کردن آن شامل میشود. کاربردهای تهویه مطبوع بر دو نوع خانگی و صنعتی میباشد. سیستمهایی که وظیفه عمده آنها مطبوع کردن هوا برای راحتی انسان است تهویه مطبوع خانگی نامیده میشوند. نمونهای از این سیستمها را میتوان در منازل، مدارس، دفاتر، مساجد، هتلها، سوپر مارکتها، ساختمانهای عمومی، کارخانجات، اتومبیلها، اتوبوسها، هواپیماها، کشتیها و غیره مشاهده نمود.
1-3-6- تهویه صنعتی
از طرف دیگر هرگونه مطبوعسازی هوا که هدف اصلی آن رفاه انسانها نباشد، تهویه صنعتی نامیده میشود. این الزاماً بدین معنی است که سیستمهای تهویه صنعتی با توجه به وظیفه اصلیشان نمیتوانند برای آسایش انسانها مورد استفاده قرار گیرند. کاربردهای تهویه صنعتی از نظر تعداد و تنوع نامحدود هستند. به بیان کلی، وظیفه سیستمهای تهویه مطبوع صنعتی عبارتند از: ۱) کنترل میزان رطوبت مواد مرطوب ۲) کنترل شدت واکنشهای شیمیایی و بیوشیمیایی ۳) محدود نمودن میزان تغییرات مواد ظریف از لحاظ انبساط و انقباض حرارتی ۴) فراهم نمودن هوای تمیز و تصفیه شده که اغلب برای کار راحت و تولید محصولاتی با کیفیت بهتر، لازم میباشد.
فصل 2 – پیشینه ادبیات تحقیق
در اوایل پیدایش تبرید مکانیکی ( تبرید ، تاریخچه و کاربرد سیستم تبرید ) ، دستگاههای موجود حجیم و گران بودند و راندمان زیادی نداشتند و میبایست فردی متخصص از آنها نگهداری مینمود. به همین دلیل تبرید مکانیکی صرفاً به چند کاربرد بزرگ نظیر واحدهای تولید یخ، بستهبندی گوشت و یخچالهای بزرگ محدود میشد، ولی این سیستم در عرض چند دهه بسرعت رشد نموده و بصورت امروزی در آمده است. این رشد سریع حاصل چند عامل مختلف بود. با پیشرفت روشهای تولید دقیق، امکان تولید تجهیزات کوچکتر با راندمان بالاتر فراهم شد. این امر به همراه تهیه مبردهای بیخطر و اختراع موتورهای الکتریکی با قدرت کمتر، امکان ساخت واحدهای تبرید کوچک را که امروزه در کاربردهایی نظیر یخچالها و فریزرهای خانگی، دستگاههای هواساز کوچک و دستگاههای تجاری مورد استفاده قرار میگیرند، فراهم نمود. بهطوری که هماکنون کمتر خانه یا واحد تجاری را میتوان یافت که یکی از انواع مختلف دستگاههای تبرید مکانیکی استفاده نکند.
برای مثال امروزه بدون بهرهگیری از سیستم تبرید، تهیه و نگهداری مواد پروتئینی با رشد فزاینده جمعیت ممکن نخواهد بود. همچنین در ساختمانهای بزرگ نظیر مجتمعهای مسکونی، تجاری و صنعتی، درصورتیکه از تجهیزات تهویه مطبوع و تبرید مکانیکی بهرهگیری نشود، به دلیل گرمای محیط در تابستان این ساختمانها غیر تحمل خواهند بود.
علاوه بر کاربرد تبرید در تهویه مطبوع و استفاده از آن در فرآیندهای انجماد و سردخانهها، در حملونقل و نگهداری غذاهای فاسد شدنی، از تبرید مکانیکی در تهیه و عرضه اغلب مواد یا اجناس فروشگاههای امروزی استفاده میشود. تعداد فرآیندها یا محصولاتی که با استفاده از تبرید مکانیکی تحقق یا بهبود یافتهاند، بیشمار است.
بهطور مثال وجود تبرید امکان ساخت سدهای بزرگ را که برای پروژههای تولید برق و آبیاری ضروری است، فراهم میسازد. تبرید ساخت جادهها، تونلها، چاهک فوندانسیون و حفاری در زمینهای سست را میسر میسازد. بوسیله تبرید امکان تولید پلاستیکها، لاستیکهای مصنوعی و بسیاری محصولات و مواد مفید دیگر، امکانپذیر میگردد. تولیدکنندگان منسوجات وکاغذ میتوانند با استفاده از تبرید سرعت دستگاههای خود را افزایش دهند و محصول بیشتری تولید نمایند. استفاده از تبرید روشهای بهتری برای آبکاری فولادهای مورد استفاده در دستگاهها بوجود میآورد. این موارد تنها گوشهای از صدها کاربرد تبرید مکانیکی است که امروزه مورد استفاده قرار میگیرد و همهساله چندین کاربرد جدید به آنها افزوده میشود. تنها عاملی که سرعت رشد سیستم تبرید را کاهش میدهد، عدم وجود افراد متخصص در این صنعت است.
در تبرید صنعتی که اختلاف دمای زیاد بین منبع و چاه حرارتی وجود دارد، استفاده از سیستمهای تبرید تکمرحلهای مقرون بهصرفه نیست. زیرا که نسبت فشار بالا، فشار و دمای خروجی بالای روغن، بازدهی حجمی و ضریب عملکرد پایین سیکل را به دنبال خواهد داشت. بهعلاوه، استفاده از یک مبرد در محدوده وسیع دمایی، موجب کاهش فشار اوپراتور و افزایش حجم مکش و فشار در کندانسور میشود. در مقابل، برای چنین کاربردهایی از سیستمهای تراکمی دومرحلهای یا سیستم تبرید آبشاری استفاده میشود [1].
سیستمهای تراکمی دو مرحلهای در هر دو مدار دما بالا و دما پایین حاوی یک مبرد هستند، در حالی که در مدار دما بالا و دما پایین سیستم آبشاری از مبردهای متفاوتی استفاده میشود. از طریق سیستمهای تراکمی دو مرحلهای میتوان به دماهای پایینتری دست یافت. سامانههای سردسازی آبشاری دو مرحلهای جهت کاربردهای صنعتی بهویژه در صنعت سردسازی تجاری، جایی که دمای نگهداری غذای منجمد شده 30- تا 50- درجه سانتیگراد است، بسیار گزینه مناسبی هستند [1].
در این سامانهها، از دو واحد تکمرحلهای که توسط چگالندههای آبشاری کوپل حرارتی شدهاند، استفاده میشود. مدار دما بالای سامانه سردسازی آبشاری بهطور معمول با آمونیاک (R717)، پروپان (R290)، پروپلین (R1270)، اتانول و R404A شارژ میشود. در صورتی که معمولاً از کربن دیاکسید (R744) در مدار دما پایین سامانه سردسازی استفاده میشود. آمونیاک طبیعی با بوی تند، سمی و تا حدودی اشتعالپذیر است و در دمای 35- درجه سانتیگراد دارای فشار تبخیری کمتر از فشار اتمسفر است که منجر به نشت هوا به داخل سیستم میشود. لذا استفاده از این مبرد در سیکل دما پایین باعث بروز مشلاتی خواهد شد. از معایب پروپلین، پروپان و اتانول نیز میتوان به قابلیت اشتعال بالای آنها اشاره کرد. همچنین فشارهای تبخیر و تقطیر بسیار پایین اتانول نسبت به فشار محیط منجر به نشت هوا به داخل سامانه میشود. از معایب استفاده از کربن دیاکسید را میتوان داشتتن فشار بالا (MPa4/7( در دمای 31 درجه سانتیگراد دانست. بنابراین، استفاده از R744 برای کاربردهای دمای پایین اقتصادی است [1].
برای توجیه استفاده از یک طرح دو (یا چند) مرحلهای به جای یک سیستم تکمرحلهای باید تحلیلی دقیق از نسبت هزینههای اضافی به منافع حاصله، به عمل آید. لی و همکارانش [2] دمای تقطیر بهینه در کندانسور آبشاری، بیشینهسازی ضریب عملکرد و کمینهسازی تخریب اگزرژی سیستم با متغیرهای عملکردی دمای تبخیر کربن دیاکسید، دمای تقطیر آمونیاک و اختلاف دما در کندانسور آبشاری را مورد مطالعه قرار دادند.
هاناچاریا و همکارانش [3] بهینهسازی یک سیستم آبشاری پروپان-کربن دیاکسید را انجام دادند. هاناچاریا در تحلیلی دیگر [4] سیکل آبشاری دو مرحلهای بازگشتپذیری را مانند شکل 2-1، بهمنظور تعیین دمای بهینه میانی برای اگزرژی و بار تبرید ماکزیمم مورد بررسی قرار داد.
شکل 2-1 سیکل آبشاری دو مرحله ای
عمیدپور و همکارانش [5] مطابق شکل 2-2 سیستم تبرید آبشاری در واحدهای الفین را از لحاظ ترمودینامیکی و اگزرژی تحلیل کردند. در این کار، از دو روش پینچ و اگزرژی بهمنظور بهبود بازده قانون دوم کل سیستم تبرید استفاده شد.
شکل 2-2 سیستم تبرید پروپلین
بانسال و چین [6] دمای تقطیر بهینه R744 را در سامانه آبشاری برای سردسازهای R404A، R1270، R290 و R717 که در مدار دما بالا مورد استفاده قرار گرفتهاند را ارزیابی کردند. در اکثر مقالات مذکور هدف بهینهسازی یک تابع هدف ترمودینامیکی بوده که منجر به بیشینهسازی ضریب عملکرد یا کمینهسازی تخریب اگزرژی و تولید آنتروپی شده است. اگرچه این روش باعث افزایش بازده سیستم شده، اما افزایش بیش از حد هزینههای سیستم را نیز به دنبال خواهد داشت.
در تعدادی از کارها نیز آنالیز ترمودینامیکی و اقتصادی سیکلهای دو مرحلهای انجام شده است، اما تاکنون تحقیقی در این زمینه با رویکرد بهینهسازی و در نظر گرفتن اثر مافوق گرم شدن و مادون سرد شدن مبردها در دو چرخه مشاهده نشده است. لذا در این مقاله با لحاظ کردن مقادیر معلومی برای مافوق گرم شدن و مادون سرد شدن مبردها، پارامترهای عملکردی سیکل تبرید آبشاری در حالت بهینه اعم از دمای تقطیر در کندانسور و دمای تبخیر در اوپراتور، با رویکرد کمینه شدن هزینه کل سیستم تعیین میشود.
فصل 3 – معادلات حاکم
در برنامهها (سیستمها)ی دما پایین، از جمله انجماد سریع و ذخیرهسازی مواد غذایی یخزده، دمای تبخیر مورد نیاز سیستم تبرید از 40- درجه سانتیگراد تا 55- درجه سانتیگراد محاسبه میشود. بنابراین سیستم تبرید بخار فشرده یک مرحلهای کافی نیست. سیستمهای تبرید دو مرحلهای یا آبشار برای کاربردهای دما پایین استفاده میشود. طرفهای بالا و پایین فشار یک سیستم تبرید دو مرحلهای همان مبردها هستند، اما مدارهای بالا و پایین یک سیستم آبشار بهطور جداگانه با مبرد مناسب در رابطه با حفاظت از محیط زیست جهانی تعیین شدهاند.
استفاده از مبردهای طبیعی در سیستمهای تبرید نشان داده شده است که یک راهحل کامل برای جایگزینی دائمی مبرد فلوروکربنی است. بنابراین، استفاده از مبردهای طبیعی در هر دو مرحله سیستم دو مرحلهای و سیستم تبرید آبشار به انجام کار با توجه به قوانین زیستمحیطی کمک میکند. آمونیاک (R717) مبرد طبیعی است که بیشتر در سیستمهای تبرید دو مرحلهای دما پایین استفاده میشود، اما این سیستم دارای معایبی نیز است.
به عنوان مثال، آمونیاک دارای بوی تند است که این امر باعث خاصیت سمی بودن و قابل اشتعال بودن آن میشود. علاوه بر این، فشار تبخیر آمونیاک زمانی که دمای تبخیر کمتر از 35 درجه سانتیگراد است با پایین آمدن فشار اتمسفر همراه است. این امر باعث میشود هوا به سیستم نفوذ کرده و منجر به ناکارایی و عدم اطمینان سیستم میشود. از این رو، گاز مبرد غیر سمی، غیر قابل اشتعال و متراکم با فشار تبخیر مثبت باید برای تبخیر زیر 35 درجه سانتیگراد انتخاب شود. یک سیستم تبرید آبشار با مبردهای طبیعی CO2 و NH3 این شرایط را برآورده میکند. یک سیستم تبرید آبشار CO2 / NH3 بهترتیب از کربن دیاکسید و آمونیاک به عنوان مبرد در مدارهای دما پایین و دما بالا استفاده میکند. بعضی از خصوصیات کربن دیاکسید، آن را جایگزین خوبی برای آمونیاک برای استفاده نیروگاههای بزرگ تبرید با سیستم دما پایین میکند. از مزایای مهم کربن دیاکسید غیرسمی بودن، قابل اشتعال نبودن و بدون بو بودن آن است.
در مقایسه با سیستم تبرید دو مرحلهای آمونیاک، سیستم تبرید دومرحلهای CO2/NH3 مقدار آمونیاک را به طور قابل ملاحظهای پایین میآورد و همچنین ضریب عملکرد سیستم آبشاری فراتر از سیستم دومرحلهای در سیستم دما پایین است. بنابراین، سیستم تبرید آبشاری CO2/NH3 از توجه جهانی برخوردار گشته است. از عوامل مهم در طراحی فاز سیستم تبرید آبشاری CO2/NH3، تعیین دمای چگالش بهینه کندانسور آبشاری در شرایط خاص طراحی مانند دمای چگالش، دمای تبخیر و اختلاف دما بین مدار بالا و پایین کندانسور آبشاری است. از جمله نگرانیها در سیستم آبشاری، هزینه نصب اولیه آن است که حدود 10 درصد پر هزینهتر از سیستمهای سنتی است. اما این مشکل میتواند با نیاز کم این سیستم به شارژ مبرد و مزیتهای زیستمحیطی که این سیستم نسبت به سیستم تکمرحلهای در ارتباط با تشعشعات حاصله از سیستم دارد، خنثی شود. سیستم آبشاری مقدار سوپرهیت را در دمای تخلیه مدار دما بالا کاهش میدهد که این امر باعث کاهش ظرفیت کندانسور دما بالا و افزایش میزان تاثیر تبرید میشود.
شکل 3-1 سیستم تبرید آبشاری و شکل 3-2 دیاگرامهای متناظر با P-h و T-s را نشان میدهد. این سیستم تبرید شامل دو چرخه تبرید مجزا، یک چرخه دما بالا (HTC) و یک چرخه دما پایین (LTC) است. در HTC آمونیاک بهعنوان عامل سردکننده است، در حالیکه در LTC کربن دیاکسید عامل سردکننده است. چرخهها بهصورت حرارتی از طریق یک کندانسور آبشاری به یکدیگر متصل میشوند که برای HTC نقش یک تبخیرکننده و برای LTC نقش یک کندانسور را بازی میکنند.
شکل 3-1- دیاگرام سیستم تبرید آبشاری CO2/NH3
شکل 3-2- الف) دیاگرام متناظر با T-s ب) دیاگرام متناظر با P-h – سیستم تبرید آبشاری CO2/NH3
شکل 3-2 نشان میدهد که فشار چگالش و تبخیر در چرخه NH3 هر دو پایینتر از فشار چگالش و تبخیر در چرخه CO2 هستند. بنابراین، چرخه NH3 نسبت به چرخه فشار بالا، HTC و چرخه CO2 نسبت به چرخه فشار پایین، LTC نامیده میشوند. شکل 3-1 نشان میدهد که کندانسور سیستم تبرید آبشاری گرمای QH را در دمای Tc (دمای کندانس) به محیط در دما T0 پس میزند. بخیرکننده این سیستم آبشاری با ر سرمایش (QL) را از محیط سرد در دمای TCL به دمای تبخیر TE جذب میکند.
گرمای جذب شده توسط تبخیرکننده LTC بهعلاوه کار انجام شده روی کمپرسور LTC، برابر با گرمای جذب شده توسط تبخیرکننده HTC است. TMC و TME بهترتیب نشاندهنده دمای کندانس (چگالش) و تبخیر کندانسور آبشاری هستند. معرف اختلاف دمای بین دمای کندانسور LTC و دمای تبخیر HTC است. TE (دمای تبخیر)، TC (دمای کندانس) و اختلاف دما در کندانسور آبشاری، سه پارامتر مهم طراحی سیستم تبرید آبشاری CO2/NH3 هستند.
3-1- آنالیز ترمودینامیکی
مطالعه پارمتری با ظرفیت سردسازی ثابت و دماهای چگالش متفاوت، دماهای تبخیر و اختلافهای دما در کندانسور آبشاری برای تعیین دمای چگالش بهینه کندانسور آبشاری در سیستم تبرید آبشاری CO2/NH3 عملیاتی در دماهای پایین هدایت شده است. دماهای چگالش مورد استفاده در مطالعه پارامتریک 35، 40 و 45 درجه سانتیگراد هستند. دماهای تبخیر 45-، 50- و 55- درجه سانتیگراد هستند. اختلافهای دما در کندانسور آبشاری 3، 4 و 5 درجه سانتیگراد هستند. هر یک از مولفههای سیستم تبرید آبشاری نشان داده شده در شکل 3-1 میتوانند بهعنوان یک حجم کنترل تلقی شوند.
برای تحلیل سیستم مورد بررسی فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:
1. تمامی اجزا در حالت پایا در نظر گرفته شده اند. از تغییرات انرزی پتانسیل و جنبشی سیال عامل در داخل همه اجزا صرفنظر شده است.
2. کمپرسورهای چرخه دما بالا و پایین آدیاباتیک و غیر آیزنتروپیک هستند، بازده آیزنتروپیک کمپرسورها با استفاده از نسبت فشار تعیین می شود.
3. بازده موتور و مکانیکی هر کمپرسور نیز 93% فرض شده است.
4. از اتلاف گرما و افت فشار در اتصالات لوله کشی صرفنظر شده است.
5. فرآیندها در شیر خفانش آنتالپی ثابت هستند.
6. حالت خروجی در کندانسور و کندانسور آبشاری مادون سرد و در حالی که خروجی اواپراتور اشباع است.
3-2- معادلات حاکم
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
کمپرسور دما بالا
(8)
m ̇_5=m ̇_6=m ̇_H
(9)
W ̇_H=(m ̇_H (h_6s-h_5))⁄(η_s η_m η_e )
(10)
W ̇_H=(m ̇_H (h_6-h_5))⁄(η_m η_e )
کندانسور
(11)
m ̇_6=m ̇_7=m ̇_H
(12)
Q ̇_H 〖=m ̇〗_H (h_6-h_7)
شیر خفانش چرخه دما بالا
(13)
m ̇_7=m ̇_8=m ̇_H
(14)
h_7=h_8
کندانسور آبشاری
(15)
m ̇_2=m ̇_3=m ̇_L
(16)
m ̇_5=m ̇_8=m ̇_H
(17)
Q ̇_M 〖=m ̇〗_H (h_5-h_8)
(18)
Q ̇_M 〖=m ̇〗_L (h_2-h_3)
کمپرسور چرخه دما پایین
(19)
m ̇_1=m ̇_2=m ̇_L
(20)
W ̇_L=(m ̇_L (h_2s-h_1))⁄(η_s η_m η_e )
(21)
W ̇_L=(m ̇_L (h_2-h_1))⁄(η_m η_e )
شیر خفانش چرخه دما پایین
(22)
m ̇_3=m ̇_4=m ̇_L
(23)
h_3=h_4
اواپراتور
(24)
m ̇_1=m ̇_4=m ̇_L
(25)
Q ̇_L 〖=m ̇〗_L (h_1-h_4)
فصل 4 – نتیجهگیری
در این پروژه سیستم تبرید آبشاری بررسی شده است. کدنویسی سیستم مورد نظر در نرم افزار ترمودینامیکی EES انجام شده و نتایج آن در نمودار و جدول آورده خواهد شد. پارامترهای متغیر اساسی در تحلیل سیستم های آبشاری، دمای اواپراتور چرخه دما پایین، دمای کندانسور چرخه دما بالا، دمای کندانسور آبشاری و اختلاف دمای موجود بین TMC و TME است.
با توجه پارامترهای داده شده، ابتدا در این پروژه به بررسی ضریب عملکرد چرخه دما بالا و پایین پرداخته و سپس برای اختلاف دماهای مختلف نمودار ضریب عملکرد کلی سیستم رسم خواهد شد. در انتها جدول نتایج آورده شده است.
شکل 4-1 نشان دهنده نمودار ضریب عملکرد برای چرخه دما پایین بر حسب دمای کندانسور آبشاری (TMC) است. این نمودار برای دمای اواپراتور 50- درجه سانتی گراد، دمای کندانسور 35 درجه سانتی گراد و اختلاف دما 5 درجه سانتی گراد در کندانسور آبشاری است. مقایسه نتایج حاصل از کدنویسی با مقاله استفاده شده [2]، نشان دهنده قابل قبول بودن صحت سنجی است.
شکل 4-1 ضریب عملکرد برحسب دمای کندانسور آبشاری
شکل 4-2 نمودار COP برحسب TMC را برای چرخه دما پایین و چرخه دما بالا نشان می دهد. این نمودار برای دمای اواپراتور 50- درجه سانتی گراد، دمای کندانسور 35 درجه سانتی گراد و اختلاف دمای 5 رسم شده است. با توجه به نمودار برای چرخه دما بالا با افزایش دمای کندانسور آبشاری ضریب عملکرد افزایش پیدا می کند. در حالیکه برای چرخه دما پایین، افزایش دمای کندانسور آبشاری باعث کاهش ضریب عملکرد شده است. نمودار نشان دهنده وجود نقطه بهینه برای سیستم مورد نظر بوده که محل تلاقی ضریب عملکرد چرخه ها، نقطه بهینه سیستم است.
شکل 4-2- نمودار COP برحسب TMC برای چرخه دما پایین و چرخه دما بالا
شکل 4-3 نشان دهنده نمودار ضریب عملکرد کلی سیستم بر حسب دمای کندانسور آبشاری است. این نمودار برای دمای اواپراتور 45- درجه سانتی گراد، دمای کندانسور 35 درجه سانتی گراد و اختلاف دمای 3، 4 و 5 درجه سانتی گراد رسم شده است. با توجه به نمودار مشاهده می شود که ضریب عملکرد با افزایش TMC برای هر سه اختلاف دما ابتدا افزایش یافته و به مقدار بیشینه رسیده است. در انتها افزایش دمای کندانسور(TMC) آبشاری باعث کاهش ضریب عملکرد کل سیستم شده است. همچنین مشاهده می شود که افزایش اختلاف دما موجب کاهش ضریب عملکرد کل شده است.
شکل 4-3- نمودار ضریب عملکرد کلی سیستم بر حسب دمای کندانسور آبشاری
شکل 4-4 نمودار ضریب عملکرد بیشینه بر حسب دمای کندانسور چرخه دما بالا برای اختلاف دمای 3 درجه سانتی گراد است. با توجه به نمودار مشاهده می شود که با افزایش دمای کندانسور برای دمای اواپراتور ثابت، ضریب عملکرد کاهش پیدا می کند. همچنین برای دمای کندانسور ثابت، ضریب عملکرد رابطه مستقیم با دمای اواپراتور دارد، یعنی افزایش دمای اواپراتور باعث افزایش ضریب عملکرد خواهد شد.
شکل 4-4- نمودار ضریب عملکرد بیشینه بر حسب دمای کندانسور چرخه دما بالا برای اختلاف دمای 3 درجه سانتی گراد
نمودار ضریب عملکرد بیشینه بر حسب دمای اوپراتور چرخه دما پایین برای اختلاف دما کندانسور آبشاری 3 درجه سانتی گراد در شکل 4-5 رسم شده است. همانطور که مشاهده می شود افزایش دمای اواپراتور موجب افزایش ضریب عملکرد خواهد شد.
شکل 4-5- نمودار ضریب عملکرد بیشینه بر حسب دمای اوپراتور چرخه دما پایین برای اختلاف دما 3 درجه سانتی گراد
بعد از صحت سنجی مقاله استفاده شده، اکنون به بررسی سیستم پیشنهادی پرداخته می شود. این سیستم شامل بازیاب در چرخه دما پایین است. تحلیل و بررسی سیستم با بازیاب برای افزایش دما به اندازه 5 درجه سانتی گراد در قسمت خروجی های بازیاب است.
شکل 4-6 نشان دهنده نمودار ضریب عملکرد بر حسب دمای اواپراتور برای دو سیستم آبشاری با استفاده از 5 سیال عامل مختلف آمونیاک، پروپلین ، R404A، R407C و R410A است.
شکل 4-6 ضریب عملکرد برحسب دمای کندانسور آبشاری برای سیستم آبشاری
جدول 4-1 نتایج سیستم آبشاری آمونیاک-کربن دی اکسید را برای دمای اواپراتور 50- درجه سانتی گراد، دمای کندانسور 40 درجه سانتی گراد و اختلاف دمای 3 درجه سانتی گراد نشان می دهد.
جدول 4-1- نتایج سیستم آبشاری آمونیاک-کربن دی اکسید برای دمای اواپراتور 50- درجه سانتی گراد، دمای کندانسور 40 درجه سانتی گراد و اختلاف دمای 3 درجه سانتی گراد
خواص
حالت ها
T [C]
P [MPa]
h [kj/kg]
s [kj/kg.C]
1
50-
6823/0
1/74-
6372/0-
2
8/72
291/2
22/25
4943/0-
3
15-
291/2
4/341-
865/1-
4
50-
6823/0
4/341-
835/1-
5
18-
2076/0
1440
874/5
6
1/180
555/1
1870
166/6
7
40
555/1
6/390
645/1
8
18-
2076/0
6/390
759/1
مراجع
1. Air conditioning
2. Heat pump
3. Refrigeration system
1. Evaporator
[1] کشتکار، م.م.، اسماعیلی، ن. (1395). بهینهسازی ترمودینامیکی-اقتصادی سیکل تبرید آبشاری دو مرحلهای با در نظر گرفتن اثر مافوق گرم شدن و مادون سرد شدن مبردها. بیست و چهارمین همایش سالانه بینالمللی مهندسی مکانیک ایران. ایران، دانشگاه یزد، 1395.
]2[ Lee, T., And Chen, T., W., 2006, "Thermodynamic analysis of optimal condensing temperature of cascade- condenser in CO2/NH3 cascade refrigeration system". Int J Refrigeration, 11(5), pp. 121-132.
]3[ Bhattacharyya, S., Mukhopadhyay, S., and Kumar, R., 2005, "Optimization of CO2-C3H8 cascade system for refrigeration and heating". Int J Refrigeration, 8(4), pp. 1284-1292.
]4[ Bhattacharyya, S., Bose, S., and Sarkar, J., 2007, "Exergy maximization of cascade refrigeration cycles and its numerical verification for transcritical CO2-C3H8 system". Int J Refrigeration, 6(5), pp. 624-632.
]5[ Mafi, M., Mousavi, S., and Amidpour, M., 2012, "Exergy analysis of multistage cascade low temperature refrigeration systems used in olefin plants". Int J Refrigeration, 14(5), pp. 1121-1135.
]6[ Bansal, P.K., Jain, S., 2007, "Cascade systems: past, present, and future". ASHRAE Trans, 113(1), pp. 245-252.
—————
————————————————————
—————
————————————————————
ب
فهرست عناوین
ج
فهرست شکلها
د
فهرست جداول
ه
فصل اول- مقدمه و کلیات
10
فصل دوم- پیشینه ادبیات تحقیق
15
فصل سوم- معادلات حاکم
24
فصل چهارم- نتیجهگیری
32
مراجع
33