بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی عملکرد کولر تبخیری غیر مستقیم در شرایط آب و هوایی کشور
چکیده امروزه در جهان بدلیل کاهش منابع انرژی سعی بر آن می شود که در مصرف انرژی صرفه جویی شود و به تبع آن صنعت به سمت ساخت تجهیزاتی می رود که به این مقوله کمک کند. بخش تهویه مطبوع سهم بسزایی در مصرف انرژی داشته و علاوه بر آن بدلیل محدودیت های زیست محیطی از حساسیت ویژه ای برخوردار است. در زمینه تبرید. سیستم های تبخیری بدلیل ارزانی نسبی، مصرف انرژی کم و نیز سازگاری با مسائل زیست محیطی از اقبال ویژه ای برخوردارند. از مزیت های سیستم های تبخیری عدم استفاده از فلوروکلروکرین ها بعنوان مبرد می باشد. در این سیستم ها از آب بعنوان سیالی پاک، مطمئن و در دسترس استفاده می شود که این امر سبب حذف آلاینده ها و گازهای گلخانه ای می شود که بطور معمول در استفاده از سایر سیستم ها مانند کولرهای گازی و چیلرهای تراکمی دیده می شود. در مقاله حاضر ابتدا روابط حاکم بر یک کولر تبخیری غیر مستقیم بر اساس آنالیز بررسی شده است. نتایج بدست آمده از مدل با نتایج تجربی مستخرج از دیگران مقایسه شده و خطایی در حدود ۲۰% نشان می دهد. در نهایت توانایی استفاده از کولر تبخیری غیر مستقیم در کاهش دما و فراهم کردن شرایط آسایش برای چند شهر نمونه در ایران مطالعه شده است.
واژه های کلیدی: ۱- سرمایش تبخیری ۲ - سیستم های تبخیری غیر مستقیم ۳-کولر تبخیری مرکب ۴- بهینه سازی مصرف انرژی
مقدمه
یکی از رایج ترین سیستم های ایجاد سرمایش ، تجهیزات مکانیکی تبخیر تراکمی
(Mechanical Vapor compression ) می باشد. این سیستم ها از ترکیبات کلروفلوروکربن (CFC) بعنوان میرد استفاده کرده و می توانند محدوده سرمایشی مورد نیاز برای شرایط آب و هوایی مختلف شامل نواحی خشک و مرطوب را فراهم کنند. از معایب این سیستم ها می توان به مصرف بالای انرژی، هزینه بالای تعمیر و نگهداری و از همه مهمتر اثرات مخرب استفاده از (CFC) بر لایه ازن و بروز پدیده گلخانه ای اشاره کرد. مجموعه ملاحظات اقتصادی و زیست محیطی، توجه را به سمت استفاده از سیستمهای جایگزین مناسب معطوف کرده است.
یکی از انواع سیستم های سرمایشی رایج، سرمایش تبخیری، بعبارتی کولر های آبی است که بدلیل قیمت ارزان، جابجایی آسان هواء مصرف انرژی کم و ملاحظات زیست محیطی در اکثر مناطقی که دارای هوای خشک می باشند، مورد توجه خاص قرار گرفته است. کولرهای آبی که بر اساس اختلاف دمای خشک و مرطوب عمل می کنند با رطوبت زدن به هوا ، حرارت تبخیر آب را بصورت محسوس در تقلیل دمای هوای ورودی ساختمان ظاهر می کنند. این کولرها در انواع و ظرفیت های مختلف تولید شده و نسبت به سیستم های تراکمی ارزان تر و دارای ساختمان ساده تر و مصرف انرزی بسیار کمتری می باشند. تنها اجزای مصرف کننده انرژی در این کولرها مجموعه فن و الکتروموتور و پمپ کوچک گردش آب آن است که مصرف چندانی ندارند. لذا این مجموعه به لحاظ صرفه جویی در مصرف انرژی مناسب می باشد. بر اساس تحقیقات انجام شده در جهان، استفاده از کولرهای تبخیری سبب برطرف شدن نیاز به تولید حداقل ۱۱۸ میلیون پوند CFC و بطور تقریبی صرفه جویی در ۶۰ میلیون بشکه نفت در سال و عدم تولید ۲۷ میلیون پوند دی اکسید کرین در سال می شود [۱] . با این حال در بسیاری از مناطق گرم و مرطوب این کولرها به تنهایی قادر به ایجاد شرایط آسایش نمی باشند. علاوه بر این در بسیاری از شهرهای نیمه خشک ، کولر آبی صرفا در أوقات خاصی از شبانه روز که اختلاف دماهای خشک و مرطوب بالاتر است و قابل استفاده می باشند. کولر تبخیری غیر مستقیم بعنوان راه حل این مشکل چندی است که مورد توجه واقع شده است. این کولر بدلیل مصرف انرژی پایین و قیمت اولیه مناسب و عدم افزایش رطوبت هوا در فرایند خنک کاری ، نقش حلقه واسط کولرهای آبی و گازی را ایفا می کند که قادر به تامین شرایط ایده آل آسایش در ساعات گرم و مرطوب تابستانی می باشد. سازو کار کارکرد این کولرها به گونه ای است که سطح تبخیر آب و سطح عبور هوای خنک شونده در یک مبدل حرارتی از یکدیگر تفکیک شده و دمای هوا بدون مرطوب شدن کاهش می یابد . در شکل (۱) شماتیک مبدل حرارتی کولر تبخیری غیر مستقیم نشان داده شده است. هوای تبخیر کننده یا هوای تانویه که ممکن است هوای بیرون با هوای برگشتی از اتاق تهویه شونده باشد، با عبور از یک سمت مبدل حرارتی باعث تبخیر آب می شود. گرمای نهان تبخیر از هوای خنک شونده یا هوای اولیه گرفته می شود که در طرف دیگر مبدل حرارتی جریان دارد. از آنجاییکه هوای خنک شونده ( هوای اولیه ) تحت پاشش مستقم آب قرار نمی گیرد ، لذا در فرایند خنک کاری میزان رطوبت موجود در هوا تغییر نمی کند . به همین سبب مشکل افزایش رطوبت که در کولرهای آبی وجود دارد در این کولرها مشاهده نمی شود. این کولرها در مناطق گرم و خشکی که کولرهای آبی به تنهایی قادر به تامین شرایط آسایش نمی باشند می توانند بصورت مجزا و یا سری با کولر آبی کولر مرکب ) برای رسیدن به شرایط آسایش به کار روند. همچنین در مناطق مرطوب و نیمه مرطوب که دارای دمای حباب تر بالاتر از ۲۴_۲۲ درجه سانتیگراد می باشند، می توان از این کولرها بصورت سری با سیستم های خنک کننده رایج در این مناطق ( سیستم های تراکمی و سیستم های سرمایشی مبتنی بر رطوبت زدایی ) استفاده کرد که نقش قابل توجهی را در کاهش تناژ اولیه مورد نیاز و نیز کاهش مصرف انرژی ايفا می کنند.
)براون Brown ) در مطالعاتی تاثیرات مثبت و موثر استفاده از سیستم های تبخیری را بصورت مجزا و یا بصورت سیستم های کمکی، در کاهش مصرف انرژی و هزینه تهویه مطبوع نشان داد[۲] ساپل و برآوتون ( Supple and Peterson ) محدوده عملکردی برای رسیدن به شرایط آسایش داخلی پیشنهاد می کنند. در این بررسی ، دمای حباب تر کمتر از ۱۵°C برای کولر مستقیم ، دمای مرطوب بین ۱۵°C و ۱۸ برای کولر مرکب مستقیم و غیر مستقیم ، دمای مرطوب بین C° ۱۸ و C ۲۴ برای ترکیب کولر غیر مستقیم بهمراه یک سیستم تبرید مکانیکی پیشنهاد می شود [۳] هان و پترسون ( Hunn and Peterson ) اثرات موقعیت و نوع ساختمان بر عملکرد کولر تبخیری غیر مستقیم را بررسی کردند. این بررسی کاهش مصرف انرژی در شرایط آب و هوایی با دمای مرطوب پایین را نشان می دهد [۴]
الجواهل و همکاران (Al _ Juwayhel et al) عملکرد یک سیستم سرمایش مرکب شامل دو مرحله غیر مستقیم و مستقیم و اثر ارتباط این سیستم با یک برج خنک کن را بررسی کرده و نشان دادند که بالاترین میزان بازده حرارتی برای سیستم مرکب شامل دو مرحله غیر مستقیم و مستقیم می باشد [۵] مارتینز و همکاران ( Martinez et al ) دو نوع مختلف سیستم تبخیری غیر مستقیم را مورد مطالعه قرار داده و تغییرات دمای خروجی و بازده کولر بر حسب دمای ورودی به کولر را تحلیل کردند. [۶]. در مقاله حاضر یک کولر تبخیری غیر مستقیم بکمک روابط حاکم بر انتقال حرارت و بازده سرمایشی کولر بررسی و بر اساس آنالیز طراحی و مطالعه شده است. نتایج حاصل از مدل با نتایج تجربی مارتینز و همکاران مقایسه شده است. در پایان برای چند شهر نمونه از کشورمان، استفاده از کولر غیر مستقیم در کاهش دما و نیز قابلیت استفاده از سیستم سرمایشی تبخیری بررسی می شود.
روابط و معادلات حاکم بر مساله
همانطوریکه در شماتیک یک مبدل حرارتی کولر تبخیری غیر مستقیم نشان داده شده است و شکل) (۱) ) ، کولرهای غیر مستقیم دارای دو جریان هوای مجزا می باشند. جریان هوای اولیه و جریان هوای ثانویه. أين دو جریان هوا در گذرگاههایی بطور مجزا در حرکت بوده و هیچگونه تماسی با یکدیگر ندارند. برای تحلیل حرارتی کولر، حجم کنترلی مطابق شکل (۲) در نظر گرفته شده است [۷]
انتقال حرارت بین هوای اولیه و ثانویه بصورت زیر است:
یا انتگرال گیری از رابطه (۱) از شرایط ورودی تا خروجی تعداد واحدهای هوای اولیه و نیز ضريب تاثیر هوای اولیه مشخص می شود.
توازن حرارتی برای المان سطح تماس هوا و سطح خیس عبارت است از
با انتگرال گیری از رابطه (۴) و مرتب کردن معادله بدست آمده، داريم:
با تعریف بعنوان گرمای ویژه اشباع و با توجه به فرض تغییرات خطي أنتالپی هوای اولیه با نسبت دماها[۷]، معادله (۶) بصورت زیر در می آید.
با فرض اینکه عدد لوئیس برابر یک باشد. به عبارتی یکسان بودن نرخ نفوذ نرخ نفوذ انتقال حرارت و پخش جرمی در سطح تماس هوا و آب خواهیم داشت :
با تعریف ضریب اثر سرمایش در کولرهای غیر مستقیم:
معادله توازن انرژی بین هوای اولیه و ثانویه بصورت زیر خواهد بود
ضمنا دمای خروجی عبارت خواهد بود از:
در حالیکه عبارتند از
با جایگذاری معادله (۱۲) در معادله (۳):
با جایگذاری معادله (۷) در معادله (۱۵) درجه حرارت آببصورت زیر محاسبه می شود .
