بخشی از مقاله
چکیده: یکی از روشهای کاربردی برای ایجاد سرمایش و تبرید استفاده از انرژی خورشید بهعنوان منبع انرژی است. در این میان استفاده از سیستمهای تبرید جذبی سطحی میتواند جذاب باشد. هدف از این مقاله، تحلیل ترمودینامیکی سیستمهای تبرید جذبی سطحی خورشیدی با استفاده قانون اول ترمودینامیک و بررسی تاثیر پارامترهای مختلف روی سیستم خواهد بود.
واژه های کلیدی: تبرید، جذبی سطحی، انرژی خورشیدی، قوانین ترمودینامیک.
.1 مقدمه1
در مناطق گرمسیری جهان که ضرورت سرمایش و تهویه مطبوع به طور جدی وجود دارد ذهن بشر متوجه استفاده از انرژی در دسترس خورشیدی است تا بتواند با استفاده از آن سبب رفاه و آسایش زندگی را فراهم آورد. بنابراین استفاده از حرارت حاصل از تابش خورشید در تولید سرمایش در چنین مناطقی میتواند مزایای اقتصادی بسیاری به همراه داشته باشد. انرژی خورشیدی یکی از در دسترسترین انرژیهاست که به رایگان قابل استفاده است. علاوه بر این کاربرد انرژی خورشیدی در مقایسه با سایر کاربردها جذابیت بیشتری دارد. زیرا زمانی که نیاز به آن وجود دارد میزان انرژی خورشیدی زیاد است و می توان از آن بهره گیری کرد . تولید سرمایش از حرارت، غالباً توسط سیکلهای جذبی صورت میگیرد. سیستم های سرمایش جذبی خورشیدی دارای دو مزیت بی خطر بودن از لحاظ زیست محیطی و مصرف کم انرژی به ویژه در ساعات اوج مصرف انرژی الکتریکی را دارد. سیستمهای تبرید خورشیدی از نوع جذب سطحی - جذبی جامد گاز - نسبت به سایر سیستمها هزینهی تولید و نگهداری کمتری دارند و سازگاری آنها با محیط زیست بیشتر است. در مقایسه با دیگر کاربردهای انرژی خورشیدی کاربرد مورد استفاده در این مقاله پیچیدگی بیشتری دارد، چه به لحاظ مفهومی و چه به لحاظ کاربردی. به همین دلیل توسعه و کاربرد جهانی پیدا نکرده است.
در سال 2010 ابوحمده وهمکاران - N.H. Abu Hamdeh, 2010 - بهینه سازی پارامترهای طراحی یک سیستم تبرید را انجام دادند. جاذب-مبرد مورد استفاده در این سیستم کربن فعال-متانول انتخاب شده است. بهینه سازی انجام شده باعث افزایش ضریب عملکرد سیستم شده است. در سال 2011 حسن و همکاران - Hassan HZ, 2011 - یک سیستم تبرید جذبی را شبیه سازی کردند که در آن از کربن فعال بهعنوان جاذب و متانول بهعنوان مبرد استفاده شده بود. در پژوهش آنها برای سیستم با کالکتور تخت ضریب عملکرد خورشیدی 0.211 - COP - بهدست آمده است. در سال 2013 نیدال ابوحمده و همکارانش - Abu-Hamdeh NH, 2013 - یک مدل توسعه یافته از یک سیستم خنک کننده خورشیدی حاوی جفت ضایعات زیتون -متانول را بررسی کردهاند . با توجه به مشاهدات و نتایج آنها، ضریب عملکرد به میزان مطلوبی افزایش پیدا کرده است.
در سال 2014 بردجا و همکارانش - Mohand Berdjaa, 2014 - نمونه اولیهی یک سیستم تبرید با جفت کربن فعال-متانول را ساختهاند. در نهایت به این نتیجه رسیدهاند که ضریب عملکرد حرارتی - COP - این دستگاه وابسته به میزان انرژی جذب شده است. در سال 2015 قاسم و همکاران - N.A.A. Qasem, 2015 - مدل سازی و تحلیل ترمودینامیکی یک یخ ساز خورشیدی را انجام دادهاند. نتایج حاصل شده حاکی از آن بود که ضریب عملکرد این سیستم در زمستان بیشتر از تابستان است. با جستجوی گسترده در منابع و ماخذ مشاهده شده است که تاکنون تحلیل گذرا روی سیستمهای تبرید جذبی سطحی صورت نگرفته است. لذا در این مقاله ، به بررسی تاثیر شرایط و پارامترهای مختلف روی عملکرد این سیستمها برای رسیدن به یک نتیجه مشخص و مطلوب پرداخته میشود.
.2 تعریف مدل فیزیکی
.2-1 تعریف سیکل تبرید جذب سطحی خورشیدی
سیستمهای تبرید جذب سطحی خورشیدی از ترکیب جاذب جامد با مبرد مناسب بهعنوان سیال عامل استفاده میکنند و در تبرید کاربرد دارند.. پدیدهی جذب سطحی را میتوان به دو بخش جذب فیزیکی و جذب شیمیایی تقسیم کرد. در تبرید، غالبا جذب سطحی از نوع فیزیکی است. این نوع جذب بر نیروی جاذبه و دافعهی بین مولکولها استوار است و میتواند یک سیکل بهوجود آورد؛ این سیکل براساس جذب سطحی بخار مبرد - مادهی جذبشونده - در فشار کم و سپس دفع آن در فشار زیاد توسط گرم کردن بستر جاذب، کار میکند.
.2-2 اساس کار سیستمهای تبرید جذب سطحی خورشیدی
سیکل جذب سطحی خورشیدی مورد استفاده در این مقاله شامل چهار مرحله است: گرمایش، دفع همفشار، سرمایش و جذب همدما. این سیکل در یخچالها و پمپهای حرارتی کاربرد دارد. مواد جاذب مانند انواع زئولیت، کربن فعال و سیلیکاژل در ترکیب با مبرد مناسب قادرند یک سیکل تبرید را بهوجود آورند. اینگونه مواد دارای ساختمان متخلخل با سطح ویژهی بالا هستند، بهطوری که در دمای کم مبرد را در درون حفرههای خود جذب کرده و آنرا در دمای زیاد از درون حفرههای خود دفع میکنند. دمای زیاد برای مبرد را میتوان بهوسیلهی انرژی حرارتی یا انرژی خورشید تأمین کرد. از آنجا که در سیکل تبرید از قطعات متحرک استفاده نمی-شود، این دستگاهها بدون صدا کار میکنند و بهدلیل نیاز نداشتن به انرژی الکتریکی میتوان از آنها در مناطق دورافتاده و فاقد نیروی برق استفاده کرد.
یک سیستم تبرید خورشیدی از سه قسمت اصلی تشکیل شده است: مخزن حاوی جاذب، کندانسور برای مایع کردن مبرد و تبخیرکنندهی مبرد که سرما تولید میکند. جاذب در یک ظرف کاملاً بسته به رنگ سیاه قرار گرفته است. این مخزن گرمای خورشید را جذب کرده و گرمای جذب شده، محیط مخزن و در نتیجه جاذب را گرم میکند. در طول روز در نتیجهی جذب گرمای خورشید، دمای جاذب به حداکثر دمای ممکن در سیکل میرسد با افزایش دما، جاذب شروع به دفع مبرد میکند و به این طریق فشار مخزن افزایش مییابد تا اینکه در یک فشار معین، مبرد شروع به میعان میکند. مبرد میعان شده در اثر نیروی وزن خود جاری شده و در یک مخزن جمع میشود. عمل میعان با آزاد شدن گرما همراه است که این گرما باید از دستگاه خارج شود و به محیط اطراف انتقال یابد. هنگام شب دمای مخزن کاهش پیدا میکند که در نتیجهی آن، فشار سیستم نیز کم میشود. زمانیکه فشار سیستم به فشار اشباع مبرد برسد، مبرد شروع به جوشش خواهد کرد و سرما تولید خواهد شد. در این حالت که دمای دستگاه کاهش یافته، بخار مبرد دوباره جذب جاذب خواهد شد. به این طریق سیکل تبرید کامل شده و جاذب آمادهی دریافت حرارت و تکرار سیکل یاد شده
خواهد شد.
.2-3 انتخاب زوج مبرد
زوج مبرد شامل مادهی جاذب و جذبشونده - مبرد - است. خواص ترمودینامیکی، خواص شیمیایی، در دسترس بودن و نیز قیمت جاذب و جذبشونده از عوامل مهم برای انتخاب این زوج است.
.2-4 انتخاب جاذب
مهمترین عوامل برای انتخاب جاذب مناسب عبارتند از:
قدرت جذب مقدار بیشتری از مادهی جذبشونده را در دماهای کمتر داشته باشد؛
· هنگام دریافت انرژی حرارتی، دفع بیشتری از جاذب اتفاق بیفتد؛
· گرمای جذب سطحی آن از گرمای محسوس بیشتر باشد؛
· هدایت حرارتی بالا برای کوتاه تر شدن سیکل داشته باشد؛
· با گذشت زمان و استفادههای پیدرپی خاصیت آن از بین نرود؛
· سازگاری فیزیکی و شیمیایی با مبرد انتخاب شده را داشته باشد؛
· غیرسمی باشد و خاصیت خورندگی نداشته باشد؛
· ارزان و بهصورت گسترده در دسترس باشد.
از مهمترین جاذبها میتوان کربن فعال، سیلیکاژل و زئولیت را نام برد. کربن فعال از زئولیت ارزانتر است. سیلیکاژل گرانقیمت است و در کشورهای در حال توسعه در دسترس نیست.
.2-5 انتخاب جذبشونده - مبرد - مادهی جذبشونده براساس خصوصیات زیر انتخاب میشود:
· دمای تبخیر آن کم باشد؛
· هدایت حرارتی بالا داشته باشد؛
· ویسکوزیته پایین داشته باشد؛
· اندازهی مولکولها باید در حدی کوچک باشد که جاذب قادر به جذب آنها باشد؛
· گرمای نهان تبخیر زیاد و حجم مخصوص کمی داشته باشد؛
· پایداری شیمیایی در محدوده دمای کار سیکل داشته باشد؛
· در محدودهی دمایی عملیات سیکل، پایدار باشد؛
· غیرسمی، غیرخورنده و اشتعالناپذیر باشد؛
· عدم وجود اثرات زیست محیطی بر خلاف معمول سایر مبردها؛
· فشار اشباع پایینی - اندکی بالاتر از فشار اتمسفریک - داشته باشد.
آب، متانول و آمونیاک بهعنوان بهترین جذبشوندهها در سیستم-های سرمایش جذبی نوین استفاده میشوند . آب و متانول فشارهای اشباع زیر اتمسفری دارند که برای عملیات مذکور انتخاب مناسبی هستند. فشار اشباع آمونیاک در دمای چگالیده شدن 35 درجهی سانتیگراد 1300 کیلو پاسکالاست که فشار نسبتاً زیادی است و سمی نیز میباشد. متانول برای استفادهی بهینه باید در دمای جوش نرمال 65 درجه سانتیگراد و فشارهای اشباع کم قرار گیرد. اگر به-سمت شرایط غیرنرمال حرکت کنیم فشار سیستم افزایش مییابد و در نتیجه سیکل از خود عملکرد ضعیفی نشان میدهد. به دلیل آن که دمای انجماد آب صفر درجهی سانتیگراد است، آب را نمیتوان در فرایندهای انجمادی استفاده کرد.
با توجه به بررسی صورت گرفته و مطالعه رو پژوهشهای اخیر، نتیجه گیری شد که کربن فعال برای عملیات تبرید گزینه مناسبی خواهد بود. این انتخاب به دلیل سطح بزرگ بین ذرات، اثر و ظرفیت جذب بالا، واکنش بالای سطح و اندازه منافذ مطلوب است. در بحث انتخاب مبردها به دلیل اینکه تحلیل و بهینه سازی سیستمهای تبرید انجام میشود میتوان مبردهایی که با کربن فعال کار میکنند را مورد استفاده قرار داد. معمولا از متانول، اتانول و آمونیاک به صورت جفت با کربن فعال استفاده میشود.
.2-6 مدل فیزیکی ارائه شده
مدل فیزیکی مورد بررسی که در شکل 1 نشان داده شده است، شامل اجزای زیر است:
· یک کالکتور تخت
· دو تخت جاذب با اندازه و مقدار جاذب یکسان
· مخزن جمعآوری و ذخیره مبرد
· اواپراتور
· کندانسور
· شیر انبساط
دو شیر یکطرفه برای اتصال تختها و کندانسور و دو شیر یکطرفه برای اتصال تختها و اواپراتور..3-1 تعریف ترمودینامیکی سیکلبا توجه به شکل 2، نیم سیکل اول شامل سه فرایند متوالی برای تخت اول و یک فرایند برای تخت دوم است. فرایند اول یک فرایند
