بخشی از مقاله
چکیده
مبردها از مهمترین عوامل تاثیر گذار در کارایی سیتمهای تبرید بشمار می روند. عملکرد یک سیستم تبرید بستگی زیادی به خصوصیات مبرد مورد استفاده در سیستم دارد. همچنین اثرات زیست محیطی استفاده از مبردها نیز حائز اهمیت است. در دهه های اخیر ثابت شده است که تعدادی مبردها باعث تخریب لایه اوزن و گرم شدن کره زمین می شوند که این مورد، خطر جدی برای محیط زیست بشمار می آید. در این مقاله، یک سیکل تبرید تراکمی با دو کمپرسور و دو اواپراتور و یک مخزن سردکن میانی مورد مطالعه قرار گرفته است. این پژوهش به بررسی تحلیل انرژی و اگزرژی این سیستم تبرید با استفاده از مبردهای R134a، R407C و R22 می پردازد. برای حل معادلات ترمودینامیکی از نرم افزار EES استفاده شده است و نتایج حاصل از آن بصورت نمودار نشان داده شده است. نتایج این بررسی نشان می دهد که با توجه به خواص مطلوب و اثرات مخرب زیست محیطی پائین مبرد R407C، این مبرد می تواند به عنوان جایگزین برای مبرد R22 در سیستمهای مشابه استفاده شود.
کلمات کلیدی: مبرد، تبرید تراکمی، انرژی، اگزرژی
مقدمه
در دهه های اخیر، بعلت نشت مبردهای کلرو فلوئورو کربن و هیدرو کلرو فلوئورو کربن از سیستمهای تبرید و پخش آن در فضای جو، تخریب لایه اوزن و پدیده گرم شدن جهانی به یکی از مهمترین مسائل زیست محیطی تبدیل شده است. پروتوکل مونترال اعلام کرد که استفاده از مبردهای کلرو فلوئورو کربن و هیدرو کلرو فلوئورو کربن بعلت تخریب لایه اوزن به تدریج بایستی متوقف شود. پروتوکل کیوتو استفاده از مبردهای هیدروکلرو فلوئورو کربن بعلت پدیده گرم شدن جهانی را محدود کرده است. هر دوی این مبردها دارای شاخص بالایی در این دو پدیده هستند. استفاده از مبردهای مخلوط به علت خواص مطلوبی که دارند بعنوان جایگزینی برای مبردهای کلروفلوئورو کربن و هیدرو کلرو فلوئورو کربن مرجح است.
مبرد R22 بطور عمده در سیستمهای تهویه مطبوع و سیستمهای تبرید از جمله در سیستمهای انجماد سریع بکار برده می شود. میزان شاخص تخریب لایه اوزن برای این مبرد 0/034 و شاخص گرم شدن زمین آن 1700 می باشد. جایگزین مبرد R22 مبرد R407C با شاخص تخریب لایه اوزن صفر می باشد. اگرچه مبرد R22 دارای شاخص تخریب لایه اوزن پائینی است ولی شاخص گرم شدن زمین برای آن بالا می باشد در این مقاله تحلیل انرژی و اگزرژی برای مبردهای R22، R134a و R407C انجام شده است. 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 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.
تحقیقات زیادی بر روی جایگزینی مبردهای مخرب محیط زیست با مبردهای مخلوط در سیتمهای مختلف تبرید انجام شده است. آرورا و هماکارانش [4] به تحلیل تئوری سیستم تبرید تراکمی بخار واقعی با مبردهای R502، R507A و R404A پرداختند. نتایج کار آنها نشان داد که مبرد R507A نسبت به مبرد R404Aجایگزین مناسبتری برای مبرد R502 به حساب می آید. اپریا و همکارانش [5] به بررسی آزمایشگاهی مقدار انتقال حرارت اواپراتور سیکل تبرید تراکمی با مبردهای R22 و R407C پرداختند که نتایج کار آنها نشان داد که مقدار ضریب عملکرد سیستم با مبرد R22 بالاتر از مبرد R407C می باشد. عبداالله [6] به بررسی سیکل تبرید تراکمی با استفاده از مبردهای R290، R600a، R134a، R410A و R32 پرداخت. میگل و همکارانش [7] با استفاده از تحلیل اگزرژی، به بررسی اثر جایگزینی مبرد R12 با مبرد مخلوطR413A در سیستمهای تبرید تراکمی پرداختند. نتایج بررسی های آزمایشگاهی آنها نشان داد که راندمان انرژی و اگزرژی سیستم برای مبرد R413A بالاتر از مبرد R12 می باشد.
لاولین و همکارانش [8] در مطالعه خود تحلیل عملکرد سیستم تبرید تراکمی بخار با مبرد زئوتروپیک R404a را بررسی نمودند. جیوتی [ 9 ] 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 [10] کاهش عملکرد به دلیل فرسایش را در یک سیستم تبرید مکانیکی با کاربردهای مختلف بررسی نمود. او 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. 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.[11
تحلیل ترمودینامیکی
در سیکل شکل 1، مبرد خروجی از کندانسور به دو قسمت تقسیم شده و بخشی از آن وارد اواپراتور دما بالا می شود. پس از آن مقداری دیگری از مبرد وارد مخزن جداکن شده و در این مخزن بخار از مایع جدا می شود. مایع جمع شده در کف مخزن پس از عبور شیر انبساط وارد اواپراتور دما پائین شده و پس از جذب گرما در اواپراتور تبخیر گردیده و وارد کمپرسور فشار پائین می شود. بخار مافوق گرم خروجی از کمپرسور فشار پائین برای کاهش دما و افزایش عملکرد سیستم، وارد مخزن جداکن می شود تا دمای آن اندکی کاهش یابد. پس از آن این بخار و همچنین بخار آزاد شده در مخزن وارد کمپرسور فشار بالا می شود و پس از افزایش فشار و دما داخل کمپرسور به کندانسور می رود. در کندانسور بعلت انتقال حرارت، مبرد تقطیر شده و به حالت مایع در می آید و مجددا سیکل مذکور از نو آغاز می شود. در شکل 2 نمودار فشار بر حسب آنتالپی سیکل مورد بررسی نشان داده شده است.
در این پژوهش سه مبرد R407C، R134a و R22 مورد بررسی تئوری قرار گرفته است. در این بررسی، یک سیستم تبرید تراکمی با دو کمپرسور, دو اواپراتور - یکی با دمای بالای صفر و اواپراتور دیگر با دمای زیر صفر درجه سانتیگراد - 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 های اول و دوم ترمودینامیک، فرضیات زیر در نظر گرفته شده است:
-1 برای کلیه اجزای سیستم حالت جریان دائم در نظر گرفته است.
-2 از نشتی و افت فشار درون خطوط لوله صرف نظر شده است.
-3 از تلفات حرارتی درون سیستم صرفنظر شده و فرآیند کمپرسور، آیزنتروپیک در نظر گرفته شده است.
-4 از انرژی جنبشی و پتانسیل سیستم صرف نظر شده است.
-5 فشار مخزن جداکننده و اواپراتور دما بالا یکسان است.
-6 از توان مصرفی فنهای اواپراتور و کندانسور صرف نظر شده است.
روابط ترمودینامیکی
به منظور حل معادلات ترمودینامیکی 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 برای سه مبرد R22، R407C و R134a نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشاهده می شود، میزان تخریب اگزرژی اجزای سیکل برای دو مبرد R22 و R407C در اکثر موارد تقریبا یکسان است. در شکل 4 میزان ضریب عملکرد برای مبردهای نامبرده را برای دماهای مختلف اواپراتور نشان می دهد. همانطور که از شکل قابل مشاهده است میزان ضریب عملکرد برای دو مبرد R22 و R407C تقریبا یکسان است و هرچه دمای اواپراتور بالاتر باشد مقدار ضریب عملکرد بیشتر خواهد شد. در شکل 5 مقدار کار انجام شده برای تراکم کمپرسورها را نشان می دهد و مشاهده می شود که مقدار کار انجام شده برای دو مبرد R22 و R407C تقریبا یکسان و کمتر از مبرد R134a می باشد. همچنین نمودار نشان می دهد که با کاهش دمای اواپراتور، مقدار کار کمپرسور افزایش پیدا می کند.
