بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی اثر مساحت کلکتور بر عملکرد سیستمهای تبرید جذبی تکاثره و دواثره
چکیده
سیستمهای سرمایش جذبی در مکانهایی که هزینه برق مصرفی در آن زیاد میباشد، بسیار مورد توجه قرار می-گیرد. انرژی حرارتی مورد نیاز برای ژنراتور این سیستمها را میتوان از انرژی گاز، خورشید، زمین گرمایی و موارد دیگر بدست آورد. با توجه به اینکه تابش خورشید در ایران در حد مطلوبی میباشد، پس میتوان از کلکتور خورشیدی در ژنراتور سیستمهای جذبی برای انتقال گرما همراه با انرژی گاز استفاده کرد. در این تحقیق تاثیر مساحت کلکتور و حجم تانک ذخیره بر عملکرد سیستمهای جذبی تکاثره و دواثره و همچنین مساحت کلکتور وحجم تانک ذخیره مورد نیاز برای ساعات بیش از غروب خورشید بررسی میشود. نتایج نشان میدهد که با افزایش مساحت کلکتور وحجم تانک ذخیره، نیاز به انرژی گاز در طول ساعات طراحی را میتوان به صفر رساند. حداقل مساحت مورد نیاز برای ایجاد سرمایش در چهار ساعت بعد از غروب آفتاب برای سیستم تکاثره و دواثره بترتیب برابر 135 و 85 متر مربع و حجم تانک ذخیره دو سیستم برابر 10 و 7 متر مکعب میباشد.
واژههای کلیدی: سیستم تبرید جذبی، سیستمهای تکاثره و دواثره، کلکتور خورشیدی، تانک ذخیره انرژی
-1 مقدمه
استفاده از سیستمهای سرمایش روز به روز در حال افزایش میباشد. سیستمهای تبرید تراکمی انرژی الکتریکی بالایی را مصرف میکنند، که به علت وجود کمپرسور در آنها میباشد. ضمن زیاد بودن هزینه برق
مصرفی در این گونه سیستمها، از نظر زیست محیطی این سیستمها دارای مبردی هستند که در تخریب لایه اوزون مؤثر میباشند.
سیستمهای تبرید جذبی نوع خاصی ازسیستمهای سرمایش هستند که با انرژی گرمایی و مقدار ناچیز از انرژی الکتریکی برای کار پمپ، ایجاد سرمایش میکنند. اجزای اصلی سیستم جذبی شامل تبخیرکننده، جذبکننده، ژنراتور و کندانسور میباشد که با محلول لیتیوم بروماید ـ آب عمل تبرید را انجام میدهد. دمای ژنراتور در محدوده 70 تا 95 درجه سانتیگراد میباشد که در آن ضریب عملکرد بین 0/6 تا 0/8 تغییر میکند.[1] انرژی محرک گرمایی در ژنراتور سیستمهای تبرید جذبی را با استفاده از منابع انرژی گرمایی از جمله سوختهای فسیلی و انرژیهای تجدیدپذیر همچون انرژی خورشیدی و زمین گرمایی تامین میشود. انرژی خورشید نوع خاصی از انرژیهای تجدید پذیر است که بوسیله کلکتورهای خورشیدی انرژی گرمایی ژنراتور سیستم جذبی را تامین میکند.
سیال موجود در کلکتور و تانک ذخیره عموما آب است. ولی از آنجایی که نقطه جوش آب 100 درجه سانتیگراد میباشد، لذا برای بدست آوردن دماهای بالاتر از سیالات دیگر از جمله روغن استفاده میشود.از جمله این روغنها، روغن ترمینال وی پی یک 1، میباشد که تا دمای 400 درجه سانتیگراد نیز تبخیر نمیشود. اگرچه کلکتورهای ثابت مثل صفحه تخت و لوله خلئی، کلکتورهای متداولی هستند که در شبیه سازی سیستمها بکار میروند[7-2]، کلکتورهای سهمی خطی تک محوره در این تحقیق شبیهسازی شده است زیرا تعدادی از آزمایشهای انجام شده در اروپای مرکزی در مورد کلکتورهای مختلف، نشان داد که برای دماهای بالاتر از 75 درجه سانتیگراد ، این نوع کلکتورها میتوانند با کلکتورهای صفحه تخت از نظر بازدهی و اقتصادی رقابت کنند.[8]
در اکثر شهرهای ایران در اغلب روزهای سال دارای تابش مناسب خورشیدی میباشیم.از جمله این شهرها، شهر اهواز میباشد که دارای تابش خورشید بالایی است. و دمای این شهر در بعضی از شرایط به بالای 50 درجه سانتیگراد میرسد. در این شهر میانگین روزانه تابش کلی خورشید در تابستان حدود 24 MJ/m2 میباشد.[9] از این رو میتوان سیستم جذبی خورشیدی همراه با دادههای آب و هوایی، دما، رطوبت، سرعت باد برای این شهر شبیهسازی نمود. سیستم سرمایش خورشیدی شامل یک کلکتور سهمی خطی با محور کانونی در راستای شمال جنوب، تانک ذخیره با مدل مخلوط کامل، انرژی کمکی گاز برای تامین گرما در ساعاتی که انرژی خورشید وجود ندارد و تجهیزات سیستم تبرید جذبی میباشد که برای دو نوع تکاثره و دواثره قابل استفاده است.
در شبیه سازی یک مدل ترمودینامیکی سیکل یک سری فرضیات و ورودیها به برنامه وجود دارد که باید مورد بررسی قرار بگیرد. از جمله این ورودیها، بازدهی مبدل حرارتی، دماهای ژنراتور و کندانسور میباشد.
عملکرد سیستمهای سرمایش جذبی به کمک انرژی خورشیدی معمولا از طلوع خورشید تا غروب خورشید میباشد زیرا بیشترین مقدار بار برودتی مورد نیاز در طول ساعات آفتابی میباشد. ولی از آنجایی که در ساعات بعد از غروب خورشید همچنان به بار برودتی نیاز میباشد، پس میتوان با داشتن سطح بیشتری از کلکتور مقدار گرمای بیشتری را در طول روز جذب و در تانک ذخیره، ذخیرهسازی کرد. برای ساعات بیش از غروب خورشید یک حداقل سطح کلکتور و حجم بهینه تانک ذخیره وجود دارد که با استفاده از آن میتوان بار برودتی را ایجاد کرد.
در این تحقیق اثر مساحت کلکتور و حجم تانک ذخیره برای به صفر رساندن مصرف گاز و همچنین میزان مساحت وحجم تانک ذخیره مورد نیاز برای کارکرد مناسب سیستم تبرید جذبی در ساعات بیش از غروب خورشید بررسی شده است.
-2 تحلیل سیستم تبرید جذبی خورشیدی
سیستم تبرید جذبی تک اثره در شکل (1) نشان داده شده است. اجزای اصلی سیستم تبرید جذبی تک اثره شامل ژنراتور، جذب کننده1، کندانسور، تبخیرکننده2، پمپ، شیر انبساط 3 و یک مبدل میباشد. همان طور که در شکل((1 نشان داده شده بخار مبرد از تبخیر کننده (10) خارج میشود و در جذب کننده به محلول لیتیوم بروماید
شکل (1) سیستم تبرید جذبی تکاثره
جذب میشود. این فرآیند، یک فرآیند گرمازاست، بنابراین باید جذبکننده را خنک کنیم که این کار باعث بالا رفتن میزان مبرد جذب شده در جذب کننده میشود. این محلول که بصورت مایع است، از میان مبدل به
ژنراتور پمپ میشود .(3-2-1) محلول رقیق لیتیوم ـ بروماید در هنگام عبور از مبدل، گرما را از محلول غلیظ خروجی از ژنراتور میگیرد و دمای آن بالاتر میرود که این عمل باعث بهبود عملکرد سیکل میگردد. در ژنراتور انرژی گرمایی در دمای بالا به محلول لیتیوم بروماید ـ آب داده میشود. این انرژی گرمایی توسط مجموعه کلکتور سهمی خطی و تانک ذخیره و همچنین انرژی حرارتی گاز تامین میشود (شکل .(2 انرژی گازدر مواقعی که انرژی خورشید پایین است، و همچنین بعد از غروب آفتاب استفاده می شود.
شکل((2 مجموعه کلکتور و تانک ذخیره انرژی همراه با انرژی حرارتی گاز
از آنجایی که نقطه جوش آب از لیتیوم بروماید کمتر است، آب بصورت فوق گرم از محلول جدا میشود (7) و وارد کندانسور میشود. مبرد فوق گرم با از دست دادن گرما به حالت مایع اشباع در می آید (8) و پس از عبور از شیر انبساط به تبخیر کننده وارد شده (9) و در آنجا با گرفتن گرما از آبی که برای خنک کردن محیط خاص استفاده میشود، به بخار تبدیل میشود (10) محلول غلیظ لیتیوم بروماید ـ آب که در ژنراتور بر اثر گرما، مبرد از دست داده است، از ژنراتور خارج میگردد (4) و پس از عبور از مبدل و دفع حرارت به محلول رقیق سرد تبدیل میگردد، (5) آنگاه بعد از عبور از یک شیر انبساط، فشار آن کاهش یافته و وارد جذب کننده شده (6) تا مجدداً
شکل (3) سیستم تبرید جذبی دواثره
بخار مبرد را جذب کند و بدین ترتیب سیکل کامل میشود.
سیکلهای دواثره (شکل(3 این تفاوت را با تکاثره دارند که یک ژنراتور ثانویه از نوع فشار پایین نیز در آن قرار دارد .(LPG) انرژی محرک این ژنراتور از بخار آب فوق گرم خروجی از ژنراتور فشار بالا (17) تامین می-شود که با انرژی آزاد شده آن بخار آب ثانویه (7) در ژنراتور فشار پایین ایجاد میشود. ادامه روند کارکرد سیستم دواثره مشابه سیستم تکاثره میباشد.[10]
-3 مدل ترمودینامیکی سیکل
سیکل جذبی
بر طبق اصل پایستاری جرم در جریان پایا مقدار کلی جرم ورودی به حجم کنترل با مقدار کلی جرم خروجی از آن برابر است: [10]
در رابطه بالا، m مقدار نرخهای جریان جرم و x غلظت جرمی لیتیوم بروماید در محلول است. قانون اول ترمودینامیک که به اصل پایستاری انرژی نیز معروف است، مبنای استواری برای مطالعه روابط بین بر هم کنشها و شکلهای مختلف انرژی است. بر مبنای مشاهدات آزمایشی، قانون اول ترمودینامیک میگوید که انرژی نمیتواند خلق یا نابود شود، و فقط میتواند تغییر شکل دهد. قانون اول را بطور ریاضی نمیتوان اثبات کرد، اما هیچ فرآیندی در طبیعت قانون اول را نقض نکرده است، و همین کافی است. قانون اول ترمودینامیک برای هر جز سیستم طبق رابطه زیر نوشته میشود.
که در آن از انرژیهای جنبشی و پتانسیل صرفنظر شده است. در رابطه بالا انتقال گرما به سیستم و انتقال کار از سیستم مثبت در نظر گرفته میشود.
در مبدل حرارتی محلول، حرارت از محلول غلیظ دما بالای خروجی از ژنراتور به محلول رقیق دما پایین ورودی به ژنراتور منتقل میشود که باعث بهتر شدن عملکرد سیکل میگردد. با توجه بـه نـاچیز بـودن کـار پمـپ آنتـالپی ثابت فرض میشود. لازم به ذکراست که بازدهی مبدل حرارتی در سیستم تکاثره و سیستم دواثره بصورت زیـر است:
* h15 و * h5 برابر است با آنتالپی نقطه15 و 5 وقتی که به ترتیب در دمای T3 و T2 باشند.
ضریب عملکرد عبارتست از انرژی بازیافت شده به انرژی مصرف شده در سیستم. برای سیستمهای تبرید جذبی ضریب عملکرد بصورت زیر نشان داده میشود.
کلکتور خورشیدی
کلکتورهای سهمی خطی از صفحات منعکس کنندهای با خاصیت انعکاسی بالا ساخته شده که به شکل سهمی خمکاری میشوند و یک لوله فلزی سیاه رنگ که با یک لوله شیشهای برای کاهش تلفات حرارتی پوشانده شده در راستای خط کانونی دریافت کننده قرار داده میشود. این کلکتورها تابش مستقیم خورشید را دریافت و در جذبکننده متمرکز میکنند. محور کانونی این کلکتورها در راستای شمال-جنوب قرار دارد ودر طول روز خورشید را ردیابی میکند که باعث کم شدن زاویه برخورد پرتوهای خورشید با سطح دهانه کلکتور میشود. زاویه برخورد پرتوهای خورشید با سطح دهانه کلکتور با رابطه زیر نشان داده میشود.[11]
در رابطه بالا زاویه عرض جغرافیایی، زاویه میل خورشید وزاویه ساعتی میباشد.گرمای مفیدی که از کلکتور بدست میاید برابر است با انرژی جذب شده توسط سیال عامل منهای انرژی اتلافی در آن بنابراین در محاسبات حرارتی کلکتور دریافت انرژی، انتقال انرژی و اتلاف انرژی مهم میباشد. نرخ حرارت مفید دریافتی کل لوله از رابطه زیر بدست میآید :[12]
qu(W) حرارت خورشیدی مفید بدست آمده است. S(W/m2) شدت تابش خورشیدی1 دریافت شده است. FR ضریب برداشت حرارتی2 میباشند.
کارایی حرارتی لحظهای کلکتور3 بصورت زیر است:
تانک ذخیره
در بسیاری از کاربردها ملاحظه میشود که در موقعیتهای مختلف بین انرژی مورد نیاز و انرژی خورشیدی در دسترس یک ناهماهنگی وجود دارد که در این حالتها نیاز به ذخیره انرژی خورشیدی محسوس میگردد. به عنوان مثال در کاربردهایی مانند گرمایش آب، گرمایش مکانها یا در سیستمهای تهویه مطبوع سرمایشی یک تانک ذخیره حرارتی برای جمع آوری انرژی خورشیدی بصورت ثابت و یکنواخت مورد نیاز است، بطوریکه وقتی انرژی خورشیدی جمع آوری شده بیش از نیاز باشد، این انرژی اضافی در تانک ذخیره جمع می شود تا در مواقعی که انرژی خورشیدی کم است به مصرف برسد.
موازنه انرژی در تانک ذخیره بصورت زیر است .[13]
( VCP )L ظرفیت حرارتی سیال داخل تانک ( VCp )t ظرفیت حرارتی ماده تشکیل دهنده بدنه تانک بر حسب c) ْ ( kJ / میباشند.qu نرخ حرارت مفید بدست آمده از کلکتورها و qload نرخ حرارت بار یا همان نرخ حرارت مورد استفاده توسط سیستم بر حسب (kw) هستند (UA)t نیز حاصلضرب سطح تانک در ضریب اتلاف حرارتی کل آن بر حسب c)ْ(kw / است.
مقدار ( VCP )t برای تانکهایی با حجم کوچک مهم است اما برای تانکهای بزرگ این مقدار در برابر ( VCP )L ناچیز و قابل چشم پوشی است. با فرض کردن ( VCP )e به عنوان مجموع دو ظرفیت حرارتی (سیال و بدنه تانک) و نیز ثابت در نظر گرفتن qu، qLoad و Ta و با توجه به شرایط اولیه ( بصورت (t = 0 Ts = Tsi انتگرال رابطه11 بصورت زیر بدست میآید:
4 بحث و تحلیل
برای بررسی سیستم، یک برنامه کامپیوتری نوشته شده که مبنی بر معادلات انرژی هر جزء می باشد. مقادیر ورودی که به برنامه داده میشوند، شامل ظرفیت تبرید یکسان و برابر10kW در دو سیستم، بازدهی پمپ %95، ضریب کارایی مبدلها %78، دمای تبخیرکننده 10 درجه سانتیگراد در نظر گرفته میشود. همچنین برای بررسی سیستم خورشیدی نیاز به داده های آب و هوایی از جمله تابش خورشید، دما و رطوبت محیط و سرعت باد می-باشد. تابش کل روزانه خورشید روی سطح افق در ماههای خرداد، تیر، مرداد و شهریور بترتیب برابر26، 25/3، 24/3 و 22/5 Mj/m2برای شهر اهواز میباشد. شکل (4) تابش مستقیم خورشید را در طول روز طراحی برای ماههای مختلف نشان میدهد. تانک ذخیره بصورت استوانه ای که با فولاد به ضخامت 5 میلیمتر میباشد، ساخته شده است. سطح خارجی آن نیز با پشم شیشه به ضخامت 5 سانتیمتر عایق کاری شده است.
شکل((4 تابش مستقیم خورشید در طول روز طراحی
تاثیر دمای ژنراتور روی ضریب عملکرد سیستم تکاثره و سیستم دواثره درشکل (5) نشان داده شده است. با افزایش دمای ژنراتور ضریب عملکرد هردو سیستم ابتدا افزایش وسپس با شیب بسیار ناچیز کاهش مییابد و با افزایش دمای تبخیرکننده، ضریب عملکرد به مقدار کوچکی افزایش مییابد. ضریب عملکرد سیستم دواثره تقریبا دو برابر سیستم تکاثره میباشد. سیستم های تکاثره در دمای پایینتری از ژنراتور بصورت مناسب کار
شکل((5مقایسه ضریب عملکرد سیستم تکاثره و دواثره بر حسب تغییرات دمای ژنراتور
میکنند. با توجه به شکل((5، یک دمای بیشینه ژنراتوری در هر سیستم وجود دارد که به ازای آن ضریب-عملکرد بیشینه میشود. در نتیجه برای دماهای بالاتر میتوان از سیستمهای چنداثره استفاده کرد.
شکلهای (6) و (7) انرژی گاز مصرفی در طول روز را در مساحتهای مختلف کلکتور در دو سیستم تکاثره و دواثره نشان میدهد. با توجه به شکلهای((6 و (7) با افزایش مساحت کلکتور، نیاز به انرژی حرارتی گاز در ساعات بیشتری به صفر میرسد. همانطور که در شکلهای((6 و (7) مشاهده میشود، سیستمهای دواثره نسبت به سیستمهای تکاثره به مساحت کوچکتری در طول روز نیاز دارند.
