بخشی از مقاله
چکیده
اثرات زیست محیطی مانند گرم شدن کره زمین و تخریب لایه اوزن به یکی از چالشهای صنعت تبرید و تهویه مطبوع تبدیل شده است. سیستمهای تبرید یکی از تجهیزات پر استفاده در بخش صنایع می باشد. در این سیستمها عموما از سیکل تبرید تراکمی استفاده می شود. در این پژوهش یک سیکل تبرید تراکمی با دو کمپرسور و یک مخزن سردکن میانی یا مخزن جداکننده به منظور افزایش ضریب عملکرد سیستم، مورد مطالعه قرار گرفته است. این مقاله به بررسی تحلیل انرژی و اگزرژی یک سیکل تبرید تراکمی بخار با استفاده از مبردهای R22، R410 و R407C می پردازد. معادلات راندمان انرژی و اگزرژی و میزان تخریب اگزرژی برای تمام اجزای سیکل تبرید شامل کمپرسورها، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور محاسبه شده است. به منظور حل معادلات ترمودینامیکی از نرم افزار 1EES استفاده شده است و نتایج آن بصورت نمودار نشان داده شده است . نتایج حاصل از محاسبات عددی نشان می دهد که میزان تخریب اگزرژی اجزای سیکل برای دو مبرد R22 و R410 تقریبا یکسان است ولی ضریب عملکرد مبرد R410 بالاتر از مبرد R22 می باشد.
کلمات کلیدی: مبرد، انرژی، اگزرژی، تبرید تراکمی
مقدمه
مصرف انرژی در بخش ساختمان و صنعت به یکی از جنبه های مهم در مقیاس جهانی تبدیل شده است. افزایش سریع هزینه های انرژی، مسائل مربوط به تداوم منابع سوختی، انتشار مواد آلاینده و تغییر شرایط اقلیمی سبب شده که روشهای تولید برودت به شکل فعلی دچار ناپایداری و مشکل گردد. بنابراین برای غلبه بر این مشکلات بایستی راه حلهای متفاوتی بررسی شود که بر روی کاهش مصرف انرژی و تخریب اگزرژی، بهبود عملکرد این سیستمها و همچنین کاهش اثرات مخرب زیست محیطی متمرکز شود. اگزرژی عبارتست از بیشینه کاری که میتوان از یک مقدار انرژی در شرایط ایده آل و بازگشت پذیر از مجموعه ای از سیستمها و تجهیزات ایده ال دریافت نمود.[1-3]
به عبارت دیگر اگزرژی، کار به دست آمده از یک جریان است، اگر آن جریان در یک فرآیند برگشت پذیر به تعادل ترمودینامیکی و اجزای یکسان با محیط رسانده شود. منظور از تحلیل اگزرژی، مشخص نمودن تلفات اگزرژی در یک فرآیند است که ناشی از برگشت ناپذیر بودن آن فرایند میباشد و این شناسایی میتواند به تصمیم گیری در بهبود فناوری فرآیند، جهت کاهش مصرف انرژی منجر گردد، در حالی که یک فرآیند اگر فقط تحلیل قانون اول ترمودینامیک یا تحلیل انرژی گردد، چنین شناختی را به طراح نمیدهد محققان زیادی بر روی ترکیبات مختلفی از مبردهای هیدرو کربن2، هیدرو فلوئورو کربن3 و هیدروکلرو فلوئورو کربن4 ، برای جایگزینی با مبردهای کلرو فلوئورو کربن5 مطالعاتی انجام دادند و عملکرد این مبردها را هم بصورت آزمایشگاهی و هم بصورت تئوری بررسی کردند.
برای حفظ سیاره زمین و کاهش تخریب لایه اوزن لازم است که استفاده از مبردهایی که حاوی اتم کلر در ساختار زنجیره ای شان هستند نظیر کلرو فلوئورو کربن ها و هیدروکلرو فلوئورو کربن ها منسوخ گردند. اگرچه جایگزینی برای مبردهای کلرو فلوئورو کربن ها شناخته شده است ولی بررسی ها برای یافتن جایگزینی مناسب برای مبردهای هیدروکلرو فلوئورو کربن ها و بویژه R22 همچنان ادامه دارد. انتخاب مبرد در حقیقت مستلزم برقراری یک مصالحه بین خواص ترموفیزیکی مختلف است. ماده مبرد اساسا باید گستره وسیعی از خواص و ویژگیهای مورد نیاز از قبیل پایداری شیمیایی، اثرات زیست محیطی، خواص حرارتی را تحت پوشش قرار دهد.
لاولین و همکارانش [4] در پژوهش خود تحلیل عملکرد سیستم تبرید تراکمی بخار با مبرد زئوتروپیک R404a را بررسی نمودند. جیوتی [5] در پژوهش خود نتایجی از شبیه سازی سیستم تبرید تراکمی بخار با مبردهای R404A، R407C و R410A ارائه داد و به این نتیجه رسید که مقدار ضریب عملکرد و راندمان اگزرژی مبرد R407C بالاتر از مبردهای R404A و R410A می باشد. بایلل [6] کاهش عملکرد به دلیل فرسایش را در یک سیستم تبرید مکانیکی با کاربردهای مختلف بررسی نمود. او برای این تحلیل، دو مجموعه از مبردها را بر اساس خواص آنها و فرضیات مسئله انتخاب نمود. مجموعه اول شامل مبردهای R134a، R410A و R407C و مجموعه دوم مبردهای R717، R404A و R290 بودند.
پادیلا و همکارانش [7] به بررسی تحلیل اگزرژی یک سیکل تبرید تراکمی خانگی با مبرد R12 پرداختند. نتایج کار آنها نشان داد که در تمام موارد میزان مصرف انرژی، بازگشت ناپذیری و راندمان اگزرژی، مبرد R413A بهتر از مبرد R12 عمل می کند. بنابراین این مبرد می تواند به عنوان جایگزینی برای مبرد R12 انتخاب شود.آخیلش و همکارانش [8] به تحلیل اگزرژی یک سیکل تبرید تراکمی واقعی پرداختند. آنها یک مدل محاسباتی برای تعیین مقدار ضریب عملکرد، راندمان اگزرژی و میزان تخریب اگزرژی برای مبردهای R502، R404A و R507A بدست آوردند. نتایج پژوهشهای آنها نشان داد که مبرد R507A جایگزین مناسبی برای مبرد R502 به شمار می رود.
ردی [9] به بررسی تحلیل عددی یک سیکل تبرید تراکمی بخار با مبردهای R134a، R143a، R152a، R404A، R410A، R502 و R507A پرداخت و تاثیر دمای اواپراتور، دمای مادون سرد شدن مبرد خروجی از کندانسور، مافوق گرم شدن بخار مبرد خروجی از اواپراتور، تاثیر استفاده از مبدل حرارتی و تاثیر دمای کندانسور بر ضریب عملکرد و راندمان اگزرژی را بررسی نمود. او گزارش داد که دمای اواپراتور و کندانسور اثر قابل ملاحظه ای بر ضریب عملکرد و راندمان اگزرژی دارد و همچنین دریافت که مبرد R134a عملکرد بهتری در تمامی شرایط دارد. نکته ای که باید در زمان استفاده از مبردهای مخلوط به آن توجه نمود این است که دمای اواپراتور و کندانسور در طی تغییر فاز تغییر خواهد داشت که این مشکل با استفاده از مبردهای هیدروکربنی خالص مرتفع میگردد.[10]
تحلیل ترمودینامیکی
در این سیکل، مبرد خروجی از کندانسور پس از عبور از شیر انبساط وارد مخزن جداکننده می شود. در مخزن، بخار از مایع جدا شده و به قسمت بالای مخزن می رود و از آنجا وارد کمپرسور فشار بالا می شود. مایع جدا شده نیز در کف مخزن جمع شده و پس از عبور از شیر انبساط وارد اواپراتور می شود. در اواپراتور هنگامیکه عمل تبخیر صورت گرفت مبرد به حالت بخار درآمده و وارد کمپرسور فشار پائین می شود. بخار مافوق گرم خروجی از کمپرسور فشار پائین قبل از ورود به کمپرسور فشار بالا، وارد مخزن شده و اندکی خنک می شود. بخار خروجی از کمپرسور فشار پائین و بخار آزاد شده در مخزن نهایتا وارد کمپرسور فشار بالا شده و فشار و دمای آن بالا می رود. سپس این بخار سوپرهیت وارد کندانسور می شود و تقطیر صورت می گیرد و سیکل مذکور مجددا تکرار می شود . در شکل 2 نمودار فشار بر حسب آنتالپی سیکل مورد بررسی نشان داده شده است.
در این پژوهش سه مبرد R407C، R410 و R22 مورد بررسی تئوری قرار گرفته است. در این بررسی، یک سیستم تبرید تراکمی با دو کمپرسور و مخزن جداکننده - جهت افزایش اثر تبرید و کاهش دمای مبرد در بین دو مرحله تراکم - با ظرفیت مشخص انتخاب گردیده و تاثیر مبردهای مختلف بر روی عملکرد سیستم و راندمان انرژی و اگزرژی آن بررسی شده است. اگزرژی یا دسترس پذیری خاصیتی است که با آن می توان قابلیت تبدیل مقدار معینی انرژی در حالت مشخص به کار مفید را تعیین کرد. از آنجا که اگزرژی بعلت تولید آنتروپی در طول فرآیند مصرف و تخریب می گردد، برای تعیین میزان تلفات و تخریب اگزرژی، بایستی تحلیل ترمودینامیکی صورت پذیرد. به منظور تحلیل قانون اول ودوم ترمودینامیک، فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:
-1 برای کلیه اجزای سیستم حالت پایا در نظر گرفته است.
-2 از افت فشار درون خطوط لوله صرف نظر شده است .
-3 از تلفات حرارتی درون سیستم صرفنظر شده است .
-4 از انرژی جنبشی و پتانسیل سیستم صرف نظر شده است .
-5 از توان مصرفی فنهای اواپراتور و کندانسور صرف نظر شده است.
روابط ترمودینامیکی
به منظور حل معادلات ترمودینامیکی و معادلات اشاره شده در بالا از نرم افزار EES استفاده گردیده است. شرایط عملکردی سیستم در جدول 1 نشان داده است و مقدار دبی های جرمی جریان کلیه مبردها با استفاده از حل معادلات مربوطه محاسبه شده است.
بحث بر روی نتایج
در شکل 3 میزان تخریب اگزرژی اجزای سیکل تبرید تراکمی شامل کندانسور، کمپرسور فشار پائین، کمپرسور فشار بالا، اواپراتور و شیرهای انبساط برای سه مبرد R22، R407C و R410 نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشاهده می شود میزان تخریب اگزرژی اجزای سیکل برای دو مبرد R22 و R410 در اکثر موارد تقریبا یکسان است . در شکل 4 میزان ضریب عملکرد و همچنین راندمان های قانون دوم ترمودینامیک برای مبردهای نامبرده نشان می دهد. همانطور که از شکل قابل مشاهده است میزان ضریب عملکرد برای مبرد R410 بیشتر از سایر مبردها می باشد. در شکل 4 میزان حرارت دفع شده در کندانسور، میزان حرارت جذب شده در اواپراتور و مقدار کار کمپرسور را برای سه مبرد نشان می دهد و همانطور که مشخص است مقادیر حرارت برای مبرد R410 بیشتر از سایر مبردها و مقدار کار کمپرسور برای این مبرد کمتر از دو مبرد دیگر می باشد.
