دانشگاه صنعتی شیراز
دانشکده مهندسی شیمی
Hydrate based refrigeration system
نام ارائه کننده: علی زائر
بسم الله الرحمن الرحیم
1398/3/7
1
فهرست مطالب
مقدمه
سیستم های سرمایشی رایج
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
مقایسه
معرفی چند دوغاب
نتیجه گیری
2
با ظهور بحران انرژی، یافتن تکنولوژی هایی برای کاهش انرژی مصرفی بسیار ضروری است.
مصرف برق چین در سال 2015 به میزان 5.55 تریلیون کیلووات بر ساعت بوده و از این مقدار بیش از30 درصد آن مربوط به تهویه مطبوع بوده است. به همین دلیل این سیستم دارای یک پتانسیل خوب برای صرفهجویی در انرژی است.
در این مطالعه ابتدا توضیحاتی درباره ی دستگاه های تهویه مطبوع معمولی داده شده و سپس
دستگاه تهویه مطبوع مبتنی بر هیدرات را بررسی کرده و در انتها به مقایسه ی این دو پرداخته می شود.
مقدمه
3
سیستم های سرمایشی رایج
سه دستگاه تهویه مطبوع رایج جامعه شامل:
مقدمه
4
Vapor compression refrigeration system
Absorption refrigeration system
Ejector refrigeration system
مواد سرد ساز مورد استفاده:
1.اتیل اتر، کربن دی اکسید، آمونیاک و گوگرد دی اکسید استفاده شد.
2. فرئون ها(HCFC, CFC,HFC)
3. جفت عامل هایی مانند LiBr_Water یا LiCl_Water بود.
مقدمه
5
سیستم های سرمایشی رایج
ODP و GWP:
امروزه به دلیل نگرانی های محیط زیستی، بسیاری از مواد مورد استفاده ی رایج کنار رفته و از مواد 0ODP و 0GWP استفاده می شود. به همین دلیل رایج ترین گاز مورد استفاده یعنی R134a نیز، با وجود اینکه ODP آن صفر است بدلیل GWP بالا، در حال جایگزینی با R134yf است.
COP:
جفت عامل هایی مانند LiCl_Water که ضریب عملکرد بسیار پایینی حدود 0.58 تا 0.891 دارند.
گاز R134a نیز، که بیشترین کاربرد را در سیستم های سرمایشی دارد، ضریب عملکردی بین 2.6 تا 4.1 داشته و ضریب عملکرد گاز جدید R134yf نیز تنها 18% از آن بیشتر می باشد.
پس محققان برای بهبود ضریب عملکرد، تصمیم به استفاده از دوغاب هیدرات و تغییر سیکل سرمایشی رایج گرفتند و سه سیکل برای سیستم های سرمایشی مبتنی بر هیدرات با نام های HBRS-A، HBRS-B و HBRS-C ارائه شد.
سیستم های سرمایشی رایج
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
مقدمه
6
سیستم سرمایشی جدید شامل:
این سیکل در مقایسه با سیکل های متداول، به جای Condenser از مخزن تشکیل هیدرات و به جای Evaporator از مخزن تفکیک هیدرات استفاده می کند.
سیستم های سرمایشی رایج
مقدمه
7
HBRS-A
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
طرز کار سیکل HBRS-Aبه گونه ی زیر است:
سیکل HBRS-A در شکل زیر قابل مشاهده است:
8
سیستم های سرمایشی رایج
مقدمه
HBRS-A
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
Fig. 1. Flow sheet of HBRS-A [2].
9
سیستم های سرمایشی رایج
مقدمه
HBRS-B
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
طرز کار سیکل HBRS-Bبه گونه ی زیر است:
10
سیکل HBRS-B در شکل زیر قابل مشاهده است:
سیستم های سرمایشی رایج
مقدمه
HBRS-B
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
Fig. 2. Flow sheet of HBRS-B [2].
11
سیستم های سرمایشی رایج
مقدمه
HBRS-C
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
HBRS-C مشابه HBRS-B بوده و تنها تفاوتشان در این است که گاز پس از کمپرس، به کندانسور می رود تا گرما را به محیط منتقل کند و پس از آن به داخل مخزن تشکیل هیدرات می رود تا با مایعات مخلوط گردد و تشکیل هیدرات دهد.
Fig. 3. Flow sheet of HBRS-C [2].
12
با توجه به اینکه سیکلوپنتان و مونوفلورو سیکلوپنتان می توانند دمای تشکیل هیدرات را به گونه ای تغییر دهند که در فشار های پایینتر از 5 مگا پاسکال، به بالاتر از 303درجه کلوین برسد، از دو نوع مواد برای شبیه سازی استفاده شد:
سیستم های سرمایشی رایج
مقدمه
شبیه سازی
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
13
سیستم های سرمایشی رایج
مقدمه
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
شبیه سازی به وسیله نرم افزار Aspen Plus در دماهای محیطی 298 تا 308 کلوین انجام شد.
دمای تشکیل هیدرات روی 305.8 کلوین و دمای خروجی از سیستم روی 287 کلوین تنظیم شده و مقدار COP محاسبه گردید.
نتایج نشان داد که :
HBRS-Cبا مواد R41، CP و H2O، بهترین عملکرد را از خود نشان می دهد، که COP آن بین 8.01 تا 8.97 میباشد.
در تمامی حالت های محاسبه شده، ضریب عملکرد مقدار بسیار مطلوبی داشته و هرچه دمای محیط نزدیک به دمای تشکیل هیدرات می گردید، HBRS عملکرد بهتری از خود نشان میداد.
شبیه سازی
14
سیستم های سرمایشی رایج
مقدمه
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
شبیه سازی
Table 1
COP of the simulation under the different conditions [2].
15
مقایسه HBRS-A و HBRS-B و HBRS-C
HBRS-A:A1 A2 A3 A4 A5
HBRS-B:B1 B2 B3 B4 B5
HBRS-C:C1 C2 C3 C4 C5 C6
WHBRS-A > WHBRS-B>WHBRS-C
COPHBRS-C > COPHBRS-B>COPHBRS-A
مقایسه HBRS-C و VCRS
VCRS: 1 2 3 4 5
HBRS-C:C1 C2 C3 C4 C5 C6
WHBRS-C = SC2 & WVCRS = S2
COPHBRS-C = 2-4 COPVCRS
سیستم های سرمایشی رایج
مقدمه
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
مقایسه
Fig. 4. T-S contrast of HBRS-A, HBRS-B and HBRS-C [2].
Fig. 5. T-S contrast of VCRS and HBRS-C [2].
دوغاب
16
مزیت دوغاب نسبت به سیال تک فاز، در جذب انرژی به وسیله گرمای نهان ذوب است. در سیستم های مورد بررسی:
THF و TBAF آنتالپی ذوب آنچنان بالایی نداشته و HCFC-141b محدودیت های زیست محیطی داشت. Propane و Iso-butane نیز با اینکه آنتالپی مطلوبی داشتند اما قابلیت اشتعال پذیری آن ها مشکل آفرین بود.
CO2 اما گازی ارزان، غیر سمی و غیر قابل اشتعال بوده و نسبت به مواد دیگر گرمای نهان ذوب بسیار بهتری داشت و تنها مشکل آن، محدودیت فشاری است که باعث شد در کنار آن از THF برای تعدیل فشار استفاده شود و در تحقیقات جدید از این مخلوط در سیکل استفاده گردد.
سیستم های سرمایشی رایج
مقدمه
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
مقایسه
Table 2
Melting enthalpy of CO2, HCFC-141b, Propane, Iso-butane, THF, TBAF [3].
17
دوغابCO2
سیستم های سرمایشی رایج
مقدمه
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
مقایسه
نتایج نشان داد که 85 درصد کار مصرفی سیکل، مربوط به کمپرسور بوده و هر چه بازده کمپرسور افزایش یابد، ضریب عملکرد سیکل افزایش چشم گیری خواهد یافت.
برای بالابردن دمای تشکیل هیدرات، نیاز به افزایش فشار است و هرچقدر فشار افزایش پیدا کند، کار مصرفی افزایش میابد. بصورتیکه با هر 5درجه افزایش دما، ضریب عملکرد حدود 30 درصد افت میکند.
Fig. 6. Effect of efficiencies of pressure changers on system COP [4].
Fig. 7. Effect of equilibrium condition on system COP [4].
18
دوغابCO2
سیستم های سرمایشی رایج
مقدمه
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات
مقایسه
نتیجه گیری
هرچه دمای محیط، نزدیک به دمای تشکیل هیدرات باشد، HBRS عملکرد بهتری از خود نشان می دهد.
ضریب عملکرد سیستم های سرمایشی مبتنی بر هیدرات، 2 تا 4 برابر ضریب عملکرد سیستم تبرید فشرده معمولی است.
سیستم سرمایشی مبتنی بر هیدرات نوع C، ضریب عملکرد بیشتری نسبت به HBRS-A و HBRS-B دارد.
به دلیل اینکه با بالا رفتن دمای تشکیل هیدرات، فشار افزایش یافته و در نتیجه کار مصرفی افزایش خواهد یافت و ضریب عملکرد سیکل پایین خواهد آمد، پس لازم است که از کمپرسور هایی با بهره وری بالاتر استفاده گردد.
منابع
19
1. Ogawa, T., et al., Development of a novel hydrate-based refrigeration system: a preliminary overview. Applied thermal engineering, 2006. 26(17-18): p. 2157-2167.
2. Zhang, W., et al., Performance analysis of hydrate-based refrigeration system. Energy Conversion and Management, 2017. 146: p. 43-51.
3. Delahaye, A., L. Fournaison, and D. Dalmazzone, Use of Hydrates for Cold Storage and Distribution in Refrigeration and Air‐Conditioning Applications. Gas Hydrates 2: Geoscience Issues and Potential Industrial Applications, 2018: p. 315-358.
Xie, N., et al., Conceptual design and analysis of a novel CO2 hydrate-based refrigeration system with cold energy storage. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2018. 7(1): p. 1502-1511.
5. Takeya, S., K. Yasuda, and R. Ohmura, Phase equilibrium for structure II hydrates formed with methylfluoride coexisting with cyclopentane, fluorocyclopentane, cyclopentene, or tetrahydropyran. Journal of Chemical & Engineering Data, 2007. 53(2): p. 531-534.