مقاله تحلیل جریان بخارات گرم در چیلر و شرایط تامین هوا

بخشی از مقاله

چکیده

در تجهیزات انتقال حرارت بویژه سامانههاي تولید برودت نظیر چیلرها و سایر دستگاههاي سرماساز و تهویهاي تأمین و توزیع هوا و نیز بهرهبرداري از انرژي همراه جزء نیازهاي اساسی بشمار میروند. در سرمایش به روش جذبی انرژي سیستم به جاي الکتریسیته از گرما تأمین میشود. این حرارت از بخارات حاصل از گرماي یک مشعل گازسوز یا گازوئیلسوز اتمسفریک که در کانالهاي هوا جاري میشوند؛ تأمین میگردد. کار حاضر، به دلیل ضرورت بررسی شرایط مطلوب تأمین هوا در کانالها و داکتها، با تمرکز بر ارائه مدلی براي پیشبینی عملکرد مجاري به کمک اندازهگیري زمان واقعی، مقایسه واقعبینانهاي با بازده مرتبط با اجزاء یا سیستمهاي مشابه صورت گرفته است.

مدل ریاضی ارائه شده برهمکنش تأثیرات مؤلفههاي مختلف در مجاري تغذیه و بازگشت بویژه برهمکنش میان تلفات هدایتی و نشت هوا را لحاظ نموده و اثرات متقابل نشت نامتوازن و نفوذ طبیعی و نگهداشت حرارت از تمامی سطوح داکتها در موقعیتهاي مختلف را مدنظر دارد. در اینجا متناسب با کاربردهاي منحصر به تجهیزات برودتی خانگی، ضمن معرفی روش چرخه حرارتی کوتاه مدت سازگار با عملکرد سامانههاي تهویهاي نتایج چندین بررسی تجربی مورد تحلیل قرار گرفته است.نتایج نشان میدهد؛ خروجی هر دو روند شبیهسازي قبل و بعد از آزمایش به دلیل بهبودهاي ناشی از عایقکاري و جلوگیري از نشت هوا در مجاري نتایج مطلوبی در بردارد.

مقدمه

محاسبه اتلاف انرژي در بخشهاي مختلفی از تجهیزات در صنایع با توجه به ضرورت رعایت ملاحظات مدیریت انرژي در راهبري صنایع داراي اهمیت بوده و اغلب توصیه میشود. در اینجا، در مسیر استقرار یک خط چیلري، سامانه ذخیره انرژي کلی شامل ترکیبی از یک چیلر مرکزي و یک هواساز بیرونی جمعاً در نقش یک خنکساز فعال در نظر است. این سامانه حلقه بسته مصرف آب ندارد. مصرف انرژي در مقایسه با سامانه آدیاباتیک در صد قابل توجهی کاهش دارد و بازده حرارتی مطلوبی عرضه میکند.

در سالهاي اخیر مطالعه تلفات حرارتی در مجاري سیستمهاي توزیع هوا تحت بررسی گستردهاي قرار گرفته است. در سیستمهاي توزیع هوا، هوا از طریق مجراي بازگشت به وسیله یک فن مکیده شده، برحسب نیاز توسط اجزایی مانند مقاومتهاي الکتریکی گرم یا سرد شده، بعد از طریق مجراي ورود هوا به فضاي داخل مکان مورد نظر - مانند یک خانه - منتقل میشود. فن به لحاظ ضرورت ایجاد رانش سیال و هدایت آنها در کانالها، معمولاً در قسمت بالاي اجزاء گرمکننده یا سردکننده قرار میگیرد. در حالت ایدهآل تمام هواي بازگشتی از طریق مجاري دیگر گرفته میشود و تمام هواي تغذیه از طریق شبکههاي تغذیه تحویل داده میشود.

وقتی که سیستم کنترل فعال باشد، چرخه هوا به وسیله یک ترموستات جهت ثابت نگه داشتن دماي مطلوب کنترل میشود. تلفات در عملکرد مجرا اساساً ناشی از نشت هوا و تلفات رسانشی است. مطالعات متعددي در نمونههاي کوچک، مقدار این تلفات را تعیین کردهاند. مرجع [1] یک دید کلی از تأثیرات نشت سیستمها را در هر دو حالت نفوذ و ذخیرههاي حرارتی ارائه میدهد. در مسیر ارائه شرح فیزیکی آنچه در نظر این کار پژوهشی است، شایسته است مقایسهاي با سامانههاي تهویهاي در مصارف خانگی نیز صورت گیرد. مرجع[2] نشان داده است که حداقل50 درصد از مجراهاي موجود در فضاهاي غیرتهویهاي به صورت میانگین 29 درصد اتلاف بازده ناشی از نشت و تلفات رسانشی را دارا میباشند که با حدود 2 درصد اتلاف بازده در مجراها قابل مقایسه است.

در مرجع[3] آمده است که ترمیم درزگیري هوایی به دلیل مقدار زیاد نشت خارجی با 16 درصد بهبود بازده و با کاهش تلفات بازده حدود 44 درصد همراه بوده است. در اینجا نشت به خارج حدود70 درصد کاهش داشت. آنچه در مجاري تهویهاي حائز توجه است، همرفت اجباري میباشد که خود با دستهاي از مفاهیم چون نشت و تغییرات دمایی مرتبط موجودیت مییابد.بنا به مطالعه انجام شده[4]، در مورد درزگیري و عایقبندي مجاري تهویهاي، میانگین کاهش مصرف انرژي حدود 18درصد را بدنبال داشته است. همچنین در مرجع [5] با انجام ترمیم درزگیري هوایی با حداقل250 فوت مکعب در دقیقه براي نشت مجاري خارجی، ذخیره انرژي حدود 16 درصد و کاهش نشت در حدود 80 درصد گزارش شده است.

تاکنون هیچ مدل ریاضی سادهاي براي تخمین بازده حرارتی سیستمهاي توزیع هوا که شامل برهمکنش بین مجاري تغذیه و بازگشت در سامانههاي تهویهاي در حاشیه چیلرها، برهمکنش بین تلفات رسانش و تلفات نشت هوا، برهمکنش بین نشت نامتوازن و نفوذ طبیعی و نیز بازیافت وجود نداشته است. این انرژي که توسط مجاري تلف میشود؛ در فضاي تهویه، به عنوان انرژي تهویهاي مفید بازیافت میشود. چنین مدلی اگر بتواند بازده یک سیستم را براساس اندازهگیري نمونه کوچکی تخمین زند، میتوان آن را براي تعداد زیادي از مجراها بکار برد. یکی از کاربردهاي اولیه چنین مدلی پیشبینی تغییر درانرژي مورد استفاده در شرایط متنوع مانند افزایش میزان عایقکاري یا درزگیري هوا در سامانههاي تهویهاي براي مصارف حرارتی و برودتی خانگی است.

یک مدل ساده که توسط پالمیتر و فرانسیسکو در مرجع[6] توسعه داده شد، برهمکنشهاي ترکیبی اشاره شده در بالا را توضیح داده و همچنین دماهاي مختلفی را براي نواحی سمت بازگشت و تغذیه ممکن میسازد. مدل مشابه دیگري براي استفاده در نسخه پیشنویس استاندارد ASHRAE/152P پیشنهاد شده است.[7] آنالیز حساسیت انجام شده بر روي این مدل نشان میدهد که تلفات تغذیه تأثیر شدیدتري بربازده کل دارد که نسبت به تلفات بازگشت در همان نوع - رسانش یا نشت - و نیز تلفات رسانشی، تأثیر عمیقتري بر تلفات نشتی در همان اندازه دارد.[6] نکته قابل توجه در این مدل بارهاي پنهان محاسبه نشدهاي هستند که میتوانند در موقعیت و مقاصد برودتی مهم باشند.

آنالیز حساسیت براي بارهاي قابل پیشبینی، با فرض آنکه هیچ تلفات رسانشی موجود نباشد، نشان میدهد که دما در فضاهایی که مجاري بازگشت واقع شدهاند باید بیشتر از مجموع دماي خارجی و دمایی که در امتداد تجهیزات براي نشت بازگشت تغییر میکند، و ایضاً بیشتر از مقدار نشت تغذیه باشد.این مقاله نتایجی ازکاربرد مدل پالمیتر و فرانسیسکو را براي سامانههاي با گرمایش گاز ارائه میکند و این نتایج را با دادههاي بازده اندازهگیري شده مقایسه میکند13]و.[8 نتایج مزبور براساس یک دسته از اندازهگیريها به تفصیل ارائه شدهاند.[13] لازم به ذکر است که در تبیین مدل و نتایج متعاقب، از اطلاعات مندرج در مرجع[13] به خوبی بهرهبرداري شده است.

مدل فیزیکی

چیلرهاي تراکمی داراي سه بخش اصلی کمپرسور - متراکم کننده - ، کندانسور - تقطیر کننده - و اواپراتور - تبخیرکننده - هستند. در چیلرهاي تراکمی ماده مبرد در اثر عمل پمپ گونه کمپرسور متراکم میشود و پس از افزایش فشار و دما به سمت کندانسور جریان مییابد. گاز داغ ضمن تبادل حرارت با آب ارسالی از سوي برج خنککن یا هواي خنک در کندانسور تقطیر شده و بهصورت مایع داغ، کندانسور را به سمت شیر انبساطی در ورودي اواپراتور ترك میکند. عبور مایع مبرد از شیر انبساطی توام با افت فشار است، از این رو مایع آمادگی لازم براي تبخیر را در داخل اواپراتور کسب میکند و پس از ورود به فضاي اواپراتور با جذب حرارت از لولههاي آب سیستم - آب تغذیه کننده وسائل تبادل حرارت نظیر فنکوئلها - تبخیر شده و به صورت گاز از طریق لوله مکش به کمپرسور باز میگردد و چرخه سرمایش بار دیگر از سر گرفته می شود.

سیستمهاي تهویهاي در حاشیه چیلرها کارکردهاي تهویه مطبوع را چندبرابر میکند. لذا در اینجا شکل یک نمایش شماتیک یک سري مجاري مرتبط و ساده شده میباشد. در این شکل،Tsr و Trr درجه حرارت عمومی تغذیه و بازگشت هستند،Tas و Tar دماي پیرامون مجراهاي تغذیه و بازگشت،Tm دماي مخلوط هوا در مجراي بازگشت بعد از نشت بازگشت است، Tai دماي هواي نفوذي طبیعی از خارج،Te صعود دما در امتداد تجهیزات، qe انرژي تولید شده به وسیله تجهیزات، وme نرخ جریان جرم هوا از طریق تجهیزات است. دو مکانیزم اولیه رسانش و نشت براي اتلاف گرما از مجاري سامانههاي تهویهاي براي مصارف حرارتی و برودتی خانگی، مطرح میباشند.
با استفاده از تئوري تبادل گرماي استاندارد براي جریان حالت پایا در سراسر کانالها با یک دماي پیرامونی ثابت،بازده رسانش βرا میتواند به این صورت تعریف کرد:[13]کهTout دماي خارجی کانال؛ Tin دماي داخلی کانال؛ Ta دماي پیرامون کانال؛ U ضریب انتقال گرما؛ A سطح مقطع کانال؛ m نرخ جریان هوا در کانال؛ Cp گرماي ویژه هوا است.