مقاله بررسی سیکل تبرید تراکمی ساده با مبرد هیدروکربنی وسیکل تراکم سه مرحله ای با مبردCO٢

بخشی از مقاله

بررسي سيکل تبريد تراکمي ساده با مبرد هيدروکربني وسيکل تراکم سه مرحله اي با مبردCO٢

چکيده
در اين تحقيق بررسي ترموديناميکي سيکل تراکم سه مرحله اي همراه با مبدل حرارتي مياني وسيکل تبريد تراکمي ساده با مبرد هيدروکربني انجام شده است . دردهه اخير، مسائل زيست محيطي مرتبط باگازهاي گلخانه اي وتخريب لايه ي ازن سبب شده است . تحقيقات بسياري بر روي يافتن جايگزين هاي مناسب براي مبردهاي فعلي کمخرب محيط زيست هستند، متمرکز شوند. در اين ميان ، هيبدروکربن ها به فراواني ودردسترس س بودن وهمچنين دارا بودن خواص ترموفيزيکي مناسب ، بيش ازساير مواد طبيعبي ،قابليت استفاده شدن درصنعت تبريد را دارند. اين پژوهش به طور کلي درسه بخش انجام شده است .
در ابتدا يک بررسي دقيق ترموديناميکي که شامل اثرات تغيير در برخي پارامتر هاي سيکل تراکم سه مرحله اي همراه با مبدل حرارتي مياني روي توابع هدف انجام شده است . که مهمترين پارامتر هاي سيکل را ميتوان فشار خروجي کمپرسور اول و فشار خروجي کمپرسور دوم معرفي کرد. و لذا ارزيابي عملکرد کمپرسبور دردماهاي مختلف تبخير، نقش اساسي در مببرد جايگزين پيشنهادي دارد. دراين تحقيق ، عملکرد ترموديناميکي کمپرسور يک سيکل تبريد تراکمي ساده با مبردهاي هيدروکربني نظير R٢٩٠) شروشان (، aR٦٠٠) ايزوبوتان (R١٢٧٠) شروشيلن (در دماهاي تبخير مختلف ، مورد مطالعبه وبررسي قرارگرفته و نتايج همچنين مبرد طبيعي R٧١٧) مقايسه شده است . نتايج تحقيق نشان مي دهد که درصورت استفاده ازمبردهاي R٢٩٠ و
R١٢٧٠ درسبيکل تبريبد تراکمي، پارامترهاي تعيين کننده دما وفشار تخليه کمپرسور وتوان معرفي، مشابه با مبردهاي CR٤٠٧
،R٢٢ ،R١٢ و AR٤١٠ و مناسب تر ازمبرد aR١٣٤ مي باشند. افزايش قابل توجه حجم ويژه گاز مبرد aR٦٠٠ در ورود به کمپرسور در دماهاي تبخير زير صفر، لزوم افزايش حجم جابجايي مورد نياز کمپرسور وافزايش ابعاد را سبب مي شود وبه همين دليل ، استفاده ازمبرد aR٦٠٠ جهت تامين برودت دردمايي زير صفردرجه سانتيگراد توصيه نمي شود. و جهت بالا بردن ضريب عملکرد سيکل مي توان ازمبدل حرارتي مياني استفاده کرد که اثر حضور اين مبدل دراين تحقيق بررسي شده است . در نتيجه شرايط بهينه کارکرد سيکل توان ، تعيين گرديده که تحت اين شرايط هر سه تابع هدف (کار خالص ؛ ضريب عملکرد و بازده اگزرژي) با توجه به درجه اهميت هريک ، در بهترين شرايط قرار داده شده اند.
واژه هايکليدي :سيکل ، سه مرحله ، co٢،سيکل هيدروکربني
١-١مقدمه

تجزيه و تحليل ترموديناميکيو همچنين مطالعات در مورد بهينه سازي ضريب عملکرد ١(COP) و بازده اگزرژيو کل کار ورودي سيکل سه مرحله ايدوگانه CO٢ همراه با مبدل مياني مورد بررسي قرار گرفته است . با توجه به تاثيرگرم شدن کره زمين ازفلوئوروکربن ها يآبي ٢(HFCS)، استفاده از مبردهاي طبيعي مورد توجه جهانيقرار گرفته است . به نظر ميرسدکه دياکسيدکربن نتايج اميدوار کننده اي براي استفاده درسيستم هايتهويه مطبوع ، به ويژه در چرخه تبريد دوگانه از خود نشان داده است . در اين پژوهش ، يک ترکيب جديدسه مرحله اي در قسمت کمپرس يا فشرده سازي سيکل تبريد ارائه شده است که از دو سردکننده داخلي ٣ به منظور افزايش عملکرد چرخه جديد استفاده شده است . براي بهينه سازي پارامتري ، کار خالص ضريب عملکرد (COP) و بازده اگزرژي به عنوان توابع هدف انتخاب شده اند، به طوريکه پارامترهاي ذکر شده براي مقاديرمختلف فشار خروجي ازکمپرسور اول و دوم محاسبه شده است .
در دهه اخير، مسائل مربوط به اثر گلخانهاي و تخريب لايه ي ازن اهميت فرايندهاي در مباحث مربوط به انتخاب
و توسعه ي مبردها در جهان يافته است . در سال ١٨٩١ در قرارداد وين نقش اتمهاي کلر در تخريب لايه ي ازن مطرح شد.
در سال ١٨٩١ شروتکل مونترال توليد مبردهاي مخرب لايه ي ازن را ممنوع کرد. در اواخر قرن گذشته نيز بحث گرمايش زمين و ممنوعيت استفاده از مواد با GWP بالا در شروتکل کيوتو مطرش شد. امروزه مبردهباي R٢٢، R١٢ وRa١٣٤ ببه دليبل خبواص ترمودينباميکي مناسب و غيرقابل اشتعال بودن ، کاربردهاي بسياري در صنايع برودتي، چيلرها و هاي خانگي دارند.
توکلي و اماني [٢] با معرفي مبرد Ra٦٠٠ (ايزوبوتان ) به توان جايگزين Ra١٣٤ در ها و هاي فريزر، به بررسي و مقايسه ي تجربي ترموديناميکي اين دو مبرد پرداختند و نتيجه گرفتند که Ra٦٠٠ به دليل کاهش انرژي در چرخهي سرمايش ها، ميتواند جايگزين مناسبي براي Ra١٣٤ باشد.
موهانارج (Mohanarj) و همکاران [٣] ضمن مرور مطالعا ت تجربي و تروريک در مورد مبردهاي هيدروکربني وهيدروفلوئوروکربني، چالشهاي فراروي در بخشهاي مختلف سيستم هاي برودتي را مورد بررسي قرار داد.
غالب تحقيقات قبلي، بر روي عملکرد سيستم هاي تبريد با مبرد Ra٦٠٠ متمرکز شده اند و تحقيقي جامع بر يک شايه يکسان ببر روي ساير مواد هيدروکربني نظير شروشان يا شروشيلن نشده است . در اين تحقيق ، ملکرد ترموديناميکي کمپرسور يک سيکل تبريد تراکمي ساده با مبردهاي هيدروکربني نظير R٢٩٠ )شروشان (، Ra٦٠٠ )ايزوبوتان ( و R١٢٧٠ )شروشيلن ( در دماهاي تبخيبر مختلبف ،مورد مطالعه و بررسي قرار گرفته و نتاي دن با مبردهاي معنو ي R٢٢،R١٢ وRa١٣٤ و همچنين مبرد طبيعيR٧١٧ )دمونيا ( مقايسه شدهاند. مبردهاي Rc٤٠٧ وRa٤١٠ نيز به خاطر خواص ترموديناميکي مناسب در اين مقايسه لحاظ شده است .
١-٢مشخصات چرخه ي تبريد تراکمي مورد مطالعه

شکل زير، طرحواره چرخهي تبريد تراکمي ساده در نظر گرفته در تحقيق حاضر را براي مطالعه خواص مبردها و
مقايسه ملکرد ترموديناميکي دنها نشان ميدهد .

شکل ١-١: طرحواره چرخه تبريد تراکمي ساده مورد مطالعه .
مشخعات شايه چرخهي تبريد تراکمي ساده فوقالذکر بارتست از[٤] :
• دماي تبخير اواشراتور:ιC٠٢-
• ميزان مافوق داغ شدن مبرد بعد از اواشراتور:ιC٨
• افت فشار در اواشراتور: bar ٠.٢
• افت فشار در خط مکش :bar ٠.١
• افت فشار در خط تخليه :bar ٠.٢
• دماي تقطير کندانسور:ιC٣٥
• ميزان مادون سرد شدن :ιC٢
• افت فشار در کندانسور:bar ٠.١
• افت فشار در خط مايع :bar ٠.٠١
• بازده ايزونتروشيک کمپرسور:٧.٠
• تلهات حرارتي در کمپرسور: ١١% توان معرفي دن
• ظرفيت برودتي :kW ١٠٠
اين مشخعات ، داده هاي واقعي يک چرخه موجود مي باشند [٤].
١-٣معرفي نرمافزار استفاده شده
در تحقيق حاضر، جهت مقايسهي خواص ترموفيزيکي مبردهاي مختلف از نرمافزار کولشک (CoolPack) استفاده
شده است [١].

نرمافزار کولشک در سال ١٨٩٩ با حمايت دشارتمان انرژي دانمار توسعه يافت . اين نرمافزار شامل مجمو ه ابزارهباي سبودمندياست که به کمک دن ميتوان سيستمهاي برودتي را شبيهسازي و تحليل کرد. همچنين اين نرمافزار با دارا بودن يک بانک اطلا اتي مناسب ، قادربه محاسبهي خواص ترموديناميکي مبردهاي مختلفي ميباشد.
١-٤مقدمه اي در موردو سيکل هاي تبريد (پمپ حرارتي )
چرخه ترموديناميکي پمپ حرارتي يا خنک ساز٤يک مدل رياضي براي بيان چگونگي کارکرد پمپ هاي حرارتي و ها است . پمپ حرارتي ابزار يا دستگاهي است که با دريافت کار ،گرما را از منبعي با درجه دماي پايين گرفته و به منبعي با درجه حرارت بالا منتقل مي کند. بنابراين پمپ حرارتي عکس بخاري عمل مي کند و در سامانه خنک ساز گرما از قسمت سرد به قسمت گرم مي رود.
با توجه به قانون دوم ترموديناميک حرارت نمي تواند خود به خود ازيک محل سردتر به يک محل گرم تر جريان يابد، بلکه جهت اين فرآيند کار مورد نيازاست (١). يک تهويه کننده هوا نيازبه کار براي خنک کاري فضا دارد، حرکت گرما از داخل (منبع حرارتي ) به خارج از منزل (چاه حرارتي ) مستلزم کار است . به طور مشابه ، و فريزرگرما را از داخل يخدان سرد (منبع حرارتي ) به هواي گرمتر اتاق (چاه حرارتي ) حرکت مي دهند. اصل عملکرد چرخه تبريدبه شکل رياضيتوسط سدي کارنو٥ در سال ١٨٢٤ به عنوان يک موتور گرمايي شرح داده شد. پمپ گرما مي توان به عنوان موتور حرارتي که در جهت معکوس عمل مي کند، تصور شود.از انواع مختلف و کلاسه هاي سيکل تبريد مي توان به سيکل تراکم بخار٦، سيکل جذب بخار٧، سيکل گازي ٨و موتور استرلينگ ٩اشاره کرد.
١-٤-١سيکل تراکم بخار١٠
چرخه تبريد در اکثر ها و فريزرهاو همچنين در بسياريازسيستم هايبزرگ صنعتيو تجاري وسردخانه ها به شکل تراکم بخار استفاده مي شود. شکل (١-١) دياگرام شماتيک از اجزاي يک سيستم تبريدمعمولي رانشان مي دهد. چرخه ترموديناميکي آن را مي توان در نمودار تجزيه و تحليل شکل (١-٢) ملاحظه کرد. دراين چرخه نشان داده شده است که مبرد در گردش مانند گاز فريون ١١مراحل مختلفي را طي مي کند. بخار در آنتروپي ثابت فشرده و سپس به صورت فوق گرم از کمپرسور خارج مي شود.

شکل ١-٢: چرخه تبريد ساده
بخار فوق گرم از طريق کندانسور براي اولين بار سرد و ازحالت فوق گرم خارج شده و سپس با از دست دادن حرارت در فشارو دماي ثابت چگاليده مي شود. سپس مبرد مايع ازطريق شير انبساط ١٢ به طور ناگهاني با کاهش فشار همراه مي شود. مخلوط مايع -بخار سرد سپس ازطريق اواپراتور يا همان تبخير کننده ١٣ با خنک کردن هواي گرم (فضاي داخل ) که توسط يک فن در سراسر کويل اواپراتور دميده شده به طور کامل به حالت بخار در مي آيد. در نتيجه بخار مبرد براي تکميل چرخه ترموديناميکيبه وروديکمپرسور بازمي گردد.(٢)
بحث بالا بر پايه چرخه تبريد ايده آل بوده و اثرات دنياي واقعي مانند اصطکاک در سيستم ، برگشت ناپذيري
ترموديناميکي در طول فشرده سازي بخار مبرد ويارفتارگازغيرايده آل رادر نظر گرفته نشده است .

شکل ١-٣: چرخه ترموديناميکي تبريد ساده
١-٤-٢سيکل جذب بخار١٤

در سال هاي اوليه قرن بيستم ، چرخه جذب بخار با استفاده از سيستم هايآب -آمونياکمحبوب و به طور گسترده اي مورد استفاده قرار گرفت . اما پس از توسعه چرخه تراکم بخار،به دليل ضريب عملکرد پايين (حدود يک پنجم چرخه تراکم بخار) اهميت خود را از دست داد. امروزه ، چرخه جذب بخار تنها در جاهايي که حرارت بيشتر وراحت تر از برق در دسترس است ، مانند گرماي اضافي بدست آمده ازمنبع خورشيدي، استفاده مي شود. چرخه جذب ، به جز روش بالا بردن فشار بخار مبرد، شبيه به چرخه فشرده سازي است . درسيستم جذب ، کمپرسور توسط جاذب که مبرد را دريک مايع مناسب حل مي کند، جايگزين مي شود. يک پمپ مايع فشار را بالا مي برد و اين پمپ مايع نيازمند کار است . اما براي يک مقدار معين از مبرد، اين کار بسيارکوچکتر ازکار مورد نيازکمپرسور در چرخه تراکم بخار است . در جذب ، ترکيبي مناسب از مبرد و جاذب استفاده شده است .رايج ترين ترکيبات شامل آمونياک (مبرد) و آب (جاذب )، و آب (مبرد) و ليتيوم بروميد (جاذب ) است .
١-٤-٣سيکل گازي ١٥
هنگامي که سيال عامل گاز است که با فشردگي و انبساط همراه بوده اما فازتغييرنمي دهد، چرخه تبريد يک چرخه گاز ناميده مي شود. اغلب هوا به عنوان سيال عامل بکار مي رود. بنابراين هيچ تراکم و تبخيري دريک چرخه گاز وجود ندارد واجزاي متناظر با کندانسور و اواپراتور در چرخه تراکم بخار، در چرخه گاز مبدل هاي حرارتي سرد و گرم گاز به گاز مي باشند.چرخه گاز کارآمدي کمتري از چرخه تراکم بخار دارد زيرا چرخه گاز در حالت معکوس برايتون به جاي معکوس رانکين کارمي کند. به اين ترتيب دريافت و پس دادن گرما توسط سيال عامل در دماي ثابت رخ نمي دهد. در چرخه گاز، اثر تبريدبرابربا توليد گرماي ويژه يگازو افزايش دماي گازدر سمت دماي پايين است . بنابراين ،براي خنک کنندگي يکسان ، چرخه تبريدگاز، دبيجرمي بزرگي را نيازدارد.
در سال هاياخير،استفاده روزافزون از سوخت هايفسيليبه افزايش مشکلات زيست محيطي مانند گرم شدن کره زمين ،تخريب لايه ازن و آلودگي هوا منجر شده است . علاوه براين ،همراه با گسترش سريع صنعتي ،کمبود انرژي و خاموشي بيشتر در سراسر جهان ظاهر شده است . اين موارد و عوامل ديگربه افزايش علاقه در استفاده ازپسماندهاي حرارتي با درجه پايين براي توليدانرژي با توجه به پتانسيل آن درکاهش مصرف سوخت هاي فسيلي کمک کرده است . بهبود سيکل رانکين آلي توسط اين ايده در مراجع مختلف بررسي شده است (٢-٥). امروزه مبرد هاي طبيعي،به طور کلي،و به ويژه CO٢ به طور فزاينده اي به جاي CFC وHCFC مورد استفاده قرار ميگيرند. اين مبردها داراي حجم نسبتا پايين تري هستند (٦).
CO٢ داراي مزايايبسياريبه عنوان يک سيال براي چرخه تبريد است . با اين حال پژوهش روي چرخه تبريد CO٢ داراي محدوديت هايي است . با توجه به دماي بحراني پايين CO٢(حدود oC٣١)، سيکل مورد نظربه صورت دوگانه خواهد بود، به اين معني که بخشي از چرخه در منطقه فوق بحراني قرار خواهد گرفت . کيم و همکارانش (٧) عملکرد چرخه دوگانه
CO٢ با مبدل حرارتي داخلي را براي گرم کردن آب داغ بررسي کردند. چن و همکارانش (٨) يک مطالعه مقايسه اي از
15 Gas Cycle سيکل دوگانه قدرت CO٢ در مقايسه با ORC با R١٢٣ به عنوان سيال عامل ، معرفي کرده اند. اين مطالعه نشان داد که استفاده از منبع حرارت درجه پايين براي سيکل دوگانه قدرت CO٢ قدرت خروجيکميبالاتر ازORC را دارد. علاوه بر اين ،سيستم قدرت با دياکسيد کربن به عنوان سيال عامل نسبت به سيکل هاي با مواد آلي با محيط زيست سازگارتر مي - باشند. يک تجزيه و تحليل دقيق از چرخه قدرت دوگانه CO٢ با استفاده ازيک جريان درجه پايين گازهاي حاصل ازفرآيند صنعتي به عنوان منبع حرارت توسط کاير و همکارانش معرفي شده است (٩). همچنين کاير و همکارانش (١٠) يک مطالعه پارامتري و بهينه سازي را روي چرخه قدرت دوگانه CO٢ با استفاده از شش شاخص عملکرد، بازده حرارتي ، خروجي خالص ويژه ي بازده اگزرژي ، UA کل ، سطح مبدل حرارتي ،و هزينه نسبي سيستم انجام داده اند. وانگ و همکارانش (١١) اثرات پارامترها بر عملکرد ترموديناميکيو تخريب اگزرژيدر هر جزء از سيکل را براي چرخه قدرت فوق بحراني CO٢
بررسي کردند.
در سالهاي اخير مقادير بسياري از گرماي اتلافي در محيط زيست مانند گازهاي خروجي از توربين ها و موتورها و
گرماي تلف شده ناشي از کارخانه هاي صنعتي در حال انتشار مي باشد که منجر به آلودگي جدي محيط زيست شده است .
بنابراين توجهات بيشترو بيشتري به بازيابي گرماي تلف شده درجه پايين بخاطر نقش آن در کاهش مصرف سوختهاي فسيلي و کاهش مشکلات زيست محيطي ناشي از آن انجام گرفت . از آنجا که تطبيق دمايي بهتري بين گرما و سيال در بازيابي حرارت ژنراتور بخار وجود دارد وCO٢ نيز مي تواند براحتي به حالت فوق بحراني خود برسد (فشار و دماي بحراني
CO٢ به ترتيب MPa٧٣٨ ,oC٣١١ مي باشد). علاوه بر اين CO٢ ارزان ,غير سمي ,غير انفجاري است و در طبيعت به فراواني يافت مي شود و اطلاع از خواص ترموديناميکي آن نيز به ميزان کافي وجود دارد. از اين رو برخي از محققان چرخه توان CO٢ را کشف کردند. چن و همکارانش (١٢) عملکرد چرخه توان فوق بحراني CO٢ را با استفاده از انرژي گرمايي تلف شده درجه پايين در مقايسه با يک چرخه رانکلين ارگانيک (ORC) که ازR١٢٣ به عنوان سيال استفاده مي کند مورد بررسي و آزمايش قرار دادند. آنها دريافتند که هنگام استفاده از منبع حرارت درجه پايين که با متوسط درجه حرارت دفع شده دماي ترموديناميک برابر است . چرخه توان تبادل بحراني دي اکسيد کربن داراي توان کمي بيشتر از خروجي ORC مي باشد. ژانک و همکارانش (١٣) يک چرخه ترموديناميک را که در آن از انرژي خورشيدي براي توليد توان و گرما استفاده شده و از دي اکسيد کربن فرابحراني بعنوان يک سيال از نقطه نظر تئوري استفاده شده است را مورد بررسي و کنکاش قرار دادند و تاثيرات شرايط حاکم بر طراحي و نيز شرايط آب و هوايي مختلف را بر روي عملکرد چرخه رانکلين بر پايه CO٢ آزمايش کردند. آنها همچنين يک سيستم آزمايشي را براي ارزيابي امکان کارکرد اين چرخه دي اکسيد کربن فرابحراني بر پا کردند.
کاير و همکارانش (٩) يک تجزيه وتحليل دقيق از يک چرخه توان تبادل بحراني دي اکسيد کربن با استفاده از يک جريان درجه پايين صنعتي از گازهاي موجود بعنوان منبع گرمايش را ارائه دادند. آنها اثر فشار بالا بر روي راندمان گرمايي , راندمان اگزرژي و سطح تغييرات حرارت کل با درجه حرارت ثابت و دبي جرم منبع حرارت ,درجه حرارتهاي حداقل و حداکثر ثابت در يک چرخه و درجه حرارت مخزن ثابت را مورد آزمايش قرار دادند. تا به امروز هيچ يک از مطالعات منتشر شده در مورد چرخه توان CO٢ فوق بحراني بر روي بهينه سازي پارامتري براي تبديل گرماي تلف شده درجه پايين به کار مفيد تا حد ممکن تحت شرايط گرماي اتلافي داده شده تمرکز نداشته است . بنابراين هدف از اين مطالعه انجام بهينه سازي پارامتري براي چرخه توان CO٢ فوق بحراني براي بازيابي تا حد امکان گرماي اتلافي ناشي از توليدات صنعتي مي باشد.
١-٤-٤موتور استرلينگ ١٦
موتور حرارت چرخه استرلينگ را مي توان در جهت معکوس کار انداخت تا با مصرف کردن انرژي مکانيکيموجب
انتقال حرارت در جهت معکوس (يعنييک پمپ گرما، يا ) شود. به اين ترکيب جدبد استرلينگ نيزمي گويند.