بخشی از مقاله
چکیده
مطالعه حاضر به بررسی ترمودینامیکی یک سیکل تبرید تراکمی بامبرد دی اکسید کربن و تراکم دو مرحله ای می پردازد. در این مقاله تاثیر میان سردکن در سیستم تراکمی دو مرحله ای در فشارهای متفاوت گاز کولر بررسی می گردد. همچنین عملکرد سیکل تراکمی یک مرحله ای و دو مرحله ای مقایسه شده و در نهایت عملکرد سیستم تحت تاثیر تغییر متغیرهایی مثل فشار گاز کولر ، راندمان ایزنتروپیک کمپرسور ها ، میزان میان سردکردن بین دو مرحله تراکم ، دمای خروجی مبرد از گاز کولر مورد بررسی قرار می گیرد. باتوجه به دمای تبخیر در اواپراتور - - -10 و ظرفیت تبرید 5kw ، نتایج نشان می دهند که ضریب عملکرد در حالت تراکم دومرحله ای با میان سردکن نسبت به سیکل تراکمی تک مرحله ای افزایش می یابد.
-1 مقدمه
در اوائل قرن بیستم دی اکسید کربن - R744 - به عنوان مبرد به طور گسترده ای در سیستم تبرید کشتی ها و تهویه مطبوع و صنایع دیگر مورد استفاده قرار می گرفت. الکساندر توینینگ برای اولین بار دی اکسید کربن را به عنوان مبرد در سال 1850 به ثبت رساند. تا سال 1940 اوج استفاده از مبرد دی اکسید کربن بود اما ظهور مبردهای هالوکربنی در سال 1940 منجر به عدم رغبت در استفاده از مبردمای طبیعی مثل آمونیاک، دی اکسید کربن ، دی اکسید گوگرد شد. دلیل اصلی رشد سریع در استفاده از مبردهای هالوکربنی کم شدن ظرفیت تبرید دی اکسید کربن در کشتی هایی بود که از مناطق گرمسیر عبور می کردند - لورنتزن - 1995 اما آمونیاک در مقیاس های بزرگ صنعتی مورد استفاده قرار می گرفت.
باتوجه به ظهور مشکلات زیست محیطی مبردهای هالوکربنی - - CFC که در سال 1980 مورد شناسایی قرار گرفت، صنعت شروع به تحقیق برای مواد جایگزین مناسب نمود. گوستاو لورنتزن معتقد بود که می شود مجددا از سیستم تبرید دی اکسید کربن استفاده کرد. در این راستا یک نمونه سیستم تهویه مطبوع خودرو با این مبرد توسط لورنتزن و پترسون در سال 1992 ساخته شد. براساس تحقیقات صورت گرفته در سال های اخیر، توجه به دی اکسید کربن به عنوان یک مبرد افزایش یافته است. دی اکسید کربن دارای ODP و GWP بسیار پایینی می باشد و در میان مبردهای طبیعی مانند آمونیاک، هیدروکربن ها - پروپان ، بوتان ، ایزوبوتان - و دی اکسید کربن. دی اکسید کربن به عنوان بهترین گزینه معرفی شده است. به علت اینکه سمیت آمونیاک را ندارد و همچنین مانند هیدروکربن ها اشتعال زا نیست.
در سال های اخیر، استفاده از مبردهای طبیعی اغلب به عنوان جایگزین مبردهای هالوکربنی مورد توجه قرار گرفته شده است اما باتوجه به مشکلات موجود هرگز یک گزینه اصلی در نظر گرفته نشده است . با این حال باتوجه به توسعه سیستم های خنک کننده و ایجاد نرم افزارهای جدید درمورد مشخصات ترمودینامیکی دی اکسید کربن و معرفی مدل های مختلف بهره وری این سیستم افزایش یافته است. یکی از نمونه های عالی مبدل های حرارتی میکروکانال می باشد که باعث کاهش هزینه این سیستم شده است. با استفاده از این فناوری ابعاد سیستم تبرید دی اکسید کربن چندین بار کوچکتر از سیستم های معمولی و با همان ظرفیت و بهره وری می گردد.[1]
مبرد دی اکسید کربن در حال حاضر در دو نوع سیکل تبرید مورد استفاده قرار می گیرد. این مبرد می تواند در سیکل گذر بحرانی - Transcritical - و به صورت تراکم یک مرحله ای یا دو مرحله ای استفاده شود که به طور عمده در تجهیزات تبرید تجاری و تهویه مطبوع خودروها در جهت کاهش GWP مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین این مبرد می تواند در سیکل آبشاری که از ترکیب دو سیکل ساده تشکیل شده مورد استفاده قرار بگیرد. در ای سیکل مبرد دی اکسید کربن در سیکل دما پایین استفاده می شود و دمای اواپراتور بین -30 الی -50 درجه سانتیگراد و دمای کندانسور بین -10 الی -30 درجه سانتیگراد می باشد. این سیکل در صنایع تبرید بزرگ صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. مشکلات معمول مربوط به این مبرد در زمینه تهیه نیروی محرکه لازم در کمپرسور و بار حرارتی زیادی است که به دلیل خواص ترمودینامیکی مبرد دی اکسید کربن ایجاد می شود.
این بدین معنی است که حتی با استفاده از سیستم های با ظرفیت کم، مقدار زیادی از گرما به وسیله سیکل هدر می رود. چیناتو و همکارانش [2] از لحاظ ترمودینامیکی و بهینه سازی یک سیکل دو مرحله ایی Transcritical دی اکسید کربن را ارزیابی کردند. در این بررسی چند سیکل مختلف شامل، سیکل بایک مرحله تراکم، سیکل با دو مرحله تراکم و همراه بایک مدار خنک کننده گاز مورد آنالیز قرار گرفت. تاثیر انتقال حرارت داخلی بین جریان های مختلف مبرد در کل سیکل، تاثیر مبدل حرارتی داخلی و خنک کننده خارجی با تو جه به راندمان ایزنتروپیک کمپرسورها بررسی شد . کیم و همکارانش [3] ثابت کردند استفاده از یک مبدل حرارتی داخلی باعث کاهش برگشت ناپذیری ها در طول فرایند انبساط مبرد می شود. آنها همچنین اثبات کردند کاربرد مبدل حرارتی داخلی باعث کاهش دمای خروجی مایع مبرد از گاز کولر می گردد که این مساله افزایش Cop را در پی خواهد داشت.
استفاده از مبدل حرارتی داخلی بر بهبود کارکردسیکل تاثیرات ویژه ای دارد. بطوریکه، دمای پایین تر باعث می شود در ورودی شیر انبساط حباب ایجاد نشود و همچنین باعث تبخیر کامل مبرد در ورودی کمپرسور می شود که برای جلوگیری از آسیب مکانیکی به کمپرسور مفید است. آنها اثبات کردند استفاده از مبدل حرارتی داخلی در سیستم R744 مورد نیاز می باشد. آرورا و همکاران [4] در سال 2011 یک سیستم تبرید طراحی کردند که در آن از گرمای اتلافی گازکولر سیستم تبرید تراکمی بحرانی گذر دی اکسید کربن، برای راه اندازی یک سیستم تبرید جذبی تک اثره لیتیم بروماید- آب استفاده میشود. مشاهده نمودند که در حالت ترکیبی نسبت به حالت تراکمی، سیستم عملکرد بهتری دارد.
به طوری که به ازای شرایط مشخص، ظرفیت سرمایش سیستم ترکیبی در مقایسه با سیکل تبرید تراکمی به اندازه 14/05 بیشتر میباشد. ضریب عملکرد و بازده قانون دوم سیکل ترکیبی در همین شرایط، در مقایسه با سیکل تراکمی به ترتیب14/2 و 3/67 درصد افزایش یافته است. در کار حاضر عملکرد ترمودینامیکی سیستم تبرید دی اکسید کربن با تراکم دو مرحله ای و استفاده از مبدل حرارتی داخلی در فشارهای مختلف گاز کولر و دمای خروجی مبرد از گاز کولر بررسی می گردد. همچنین اثر راندمان ایزنتروپیک کمپرسورها ، مقادیر مختلف میان سرد سازی بین دو مرحله تراکم - اینترکولر - و اثر وجود یا عدم مبدل حرارتی داخلی در سیکل تک مرحله ای و دو مرحله ای Transcritical بررسی شده است.
اساس کار یک چرخه تبرید گذر بحرانی با مبرد R744
اگر چه خواص ترمودینامیکی مبرد R744 باعث می شود که استفاده از آن در یک سیکل تبرید معمولی، مقدار بهره وری انرژی کم باشد اما در جهت کاهش مساله گرمایش زمین و مبرد سازگار با محیط زیست به عنوان یک راه حل کارآمد در نظر گرفته می شود. هنگامی که مبرد دی اکسید کربن با مبردهای متداول مقایسه می شود، بیشترین مشخصه مبرد R744 پایین بودن دمای بحرانی آن است - معادل . - 30/9 مبردهایی که دمای بحرانی پایین تر از دمای محیط دارند - مانند مناطق گرمسیر حاره ای - عمل میعان گاز با از دست دادن حرارت نمی تواند انجام شود و عمل دفع حرارت در قسمت Transcritical قرار می گیرد که بین دو ناحیه زیر بحرانی - Subcritical - و فوق بحرانی - - Supercrirical قرار می گیرد. در شکل - 1 - تفاوت بین دو سیکل با مبرد R744 و R134a نشان داده شده است. درسیستم متداول R134a پس از عمل تراکم تغییر فاز - بخار- مایع - در کنداسور ایجاد می شود اما در سیکل گذر بحرانی R744 در گاز کولر تغییر فاز وجود ندارد.
شکل - 1 - دیاگرام فشار آنتالپی برای سیکل Subcritical با مبرد R134a و سیکل Transcritical با مبرد R744
مساله فوق یک ویژگی منحصر به فرد برای سیکل تبرید R744 می باشد. گاز با دمای مافوق بحرانی در یک گاز کولر به جای کندانسور سرد می شود و این نکته نیز قابل توجه است که خواص ترمودینامیکی R744 فوق بحرانی به سرعت در طول فرآیند خنک سازی در گازکولرتغییر می کنند. طراحی گاز کولر در این سیستم ها بسیار مهم و چالش برانگیز است. از دست دادن حرارت در گاز کولر طی یک فرآیند فشار ثابت انجام می شود و دما در طول این مرحله بین ورودی و خروجی گاز کولر کاهش می یابد. در شکل - 2 - ساختار سیکل Tracscritical در سیکل تراکمی یک مرحله ای و در شکل - 3 - ساختار سیکل Tracscritical در در سیکل تراکمی دو مرحله ای نشان داده شده است که در این مطالعه بررسی می شود. کمپرسور، دستگاه انبساط و اواپراتور و عملکرد آنها مشابه سیستم متداول Subcritical می باشد.
نکته قابل توجه در سیکل گذر بحرانی دی اکسید کربن، اختلاف دمای 50 تا 80 بین اواپراتور و کندانسور می باشد. چنین اختلاف دمایی مشکلات عملیاتی را بوجود می آورد که روش های مختلفی برای حل این مشکل پیشنهاد شده است. یکی از این روش ها، تراکم چند مرحله ای می باشد. اگر چه این روش باعث افزایش هزینه نصب و راه اندازی اولیه نسبت به تراکم تک مرحله ای می شود، اما در عوض، استفاده از روش تراکم چند مرحله ای مشکلات ناشی از اختلاف دمای بالای ایجاد شده را برطرف می کند. همچنین استفاده از این روش باعث کاهش نیاز قدرت مورد نیاز کمپرسور می شود. سیکل Transcritical دارای دمای بالای خروجی از کمپرسور - در
