بخشی از مقاله
چکیده :
دراین مطالعه به منظور تحلیل ترمودینامیکی سیکل تبرید استاندارد هوایی به کمک نرم افزار EES شبیه سازي شده و ارزیابی بر اساس پارامترهاي ترمودینامیکی مربوط به سیکل انجام شده و با توجه به تجزیه تحلیل مساله توسط نرم افزار EES و تغییرات در پارامترهاي موثر برسیکل اعم از راندمان کمپرسور، راندمان اکسپاندر، ضریب موثر مبدل و مبدل بازیاب - رکوپریتور - در چند مرحله که با افزایش مقادیر پارامترهاي فوق در مقدارهاي معین صورت گرفت وطبق نتایج بدست آمده، تغییرات در ضریب موثر مبدل، بازده اکسپاندر و بازده کمپرسور به ترتیب بیشترین تاثیر را در پارامترهاي عملیاتی هردو سیکل بدون بازیاب و با بازیاب را داشتند.
با توجه به نتایج به دست آمده، شرایط سیستم در حالت بدون بازیاب به دلیل راندمان بسیار پایین چندان عملیاتی نیست. ولی در حالت بازیاب مشاهده می شود که می توان با تغییر در بعضی از پارامترهاي موجود، شرایطی ایجاد کرد که این سیستم قابلیت اجرایی پیدا کند به همین جهت بنظر می رسد این پروژه در مرحله امکان سنجی قابل قبول بوده و قابلیت عملیاتی شدن را دارا می باشد و لذا در حالت بازیاب می توان با افزایش ضریب موثر مبدل و بازیاب از کمپرسور ها و اکسپاندر هاي با بازدهی کمتر که در بازار موجود می باشد به هدف مورد نظر که بار برودتی و ضریب عملکرد مناسب می باشد رسید.
مقدمه و اهداف
سیال هوا از سالیان دور به عنوان مبردي مناسب در سیستم هاي سرمایشی اعم از تهویه و به خصوص تبرید و سرد خانه هاي کشتی هاي تجاري و غیره مطرح بوده که نه سمی بوده و نه خطرات آتش سوزي داشته، ولی به علت حجیم شدن کمپرسور هاي سیستم هوایی و هم چنین مصرف انرژي و پایین بودن ضریب عملکرد سیکل نسبت به سایر سیستم هاي تبرید تراکمی اعم از خانواده CFC ها و HFCF ها حدود پنجاه سال - بجز در صنایع هوایی و فضایی - به حاشیه رفت . ولی به مرور زمان و با مشخص شدن مشکلات و عوارض زیست محیطی که ناشی از سیستم هاي تراکمی پدید آمد ، از جمله پدیده گرمایش زمین و از بین رفتن لایه اوزون توجه دوباره به هوا به عنوان سیال سرمایشی از حدود سال هاي 1990 به بعد جدي شد.
به همین جهت در این پروژه مصمم به انجام مدل سازي و تحلیل جهت امکان سنجی استفاده از سیستم تهویه با مبرد هوا براي مصارف حمل و نقل مخصوصا کولرخودرو هستیم، تا با اصلاح و تغییر درعوامل و پارامترهاي موثربرکارایی ومیزان سرمایش سیکل جهت رسیدن به قابلیت رقابت و حتی در صورت توجیه علمی و اقتصادي ، جایگزینی این سیکل درسیستم تهویه خودرو ها با سیستم هاي تبرید تراکمی که در حال حاضر در کولر خودروها استفاده می شود، دست پیدا کنیم.
اصول اساسی تهویه مطبوع هوا بیانگر این مطلب است که در این سیکل، انبساط هواي فشرده منجر به ایجاد تبرید می گردد که از اواسط قرن 18 میلادي نشات می گیرد.
یک دانشمند آلمانی به نام هول[ 7]1 درسال 1755 میلادي اولین فردي بود که پدیده انبساط هواي فشرده را به صورت آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار داد. ویلیام تامسون[7 ] در سال 1852 به تحلیلی از تهویه مطبوع سیکل هوا که تاکید بر اهمیت اکسپندر داشت ارائه کرد . الکساندر کریک از اسکاتلند.[7 ] درسال 1862 یک ماشین سیکل هواي بسته به نام ماشین چگالنده هوا اختراع کرد ، ماشین سیکل هواي ساخته شده الکساندر به طور شبانه روزي به مدت 10 سال کار کرد.
ویندهاسون دانشمند آلمانی[7] در سال 1868 ، یک ماشین سیکل هواي تک سیلندر و در سال 1869 یک ماشین سیکل هواي دو سیلندر را اختراع کرد ، او 100 عدد از این ماشین ها را در اروپا و آمریکا تولید کرد.
گیفلارد دانشمند فرانسوي[7] در سال 1873، اختراع یک ماشین سیکل هوا را که به عنوان اولین ماشین سیکل هوا در فرانسه بود را به ثبت رسانید، ماشین گیفلارد در کشتی هاي تبرید مورد استفاده قرار گرفت.
دانشمندان آلمانی[4] در سال1990 سیستم تبرید هوایی نوع سیکل باز را جهت سرمایش هواپیما استفاده کردند که طبق تحقیقات این طرح از ویژگی هاي سیکل تبرید هوایی - معکوس برایتون نوع سیکل باز - این است که این سیکلداراي اجزاي نسبتاً سبک و ساده اي بوده و به همین جهت براي سرمایش هواپیما بسیار مناسب است.
بنابر نتایج حاصل از طرح انجام شده که براي تهویه مطبوع و خنک کردن درآن از تجهیزات گردش هوا استفاده شده است، به ویژه در هواپیما خیلی مؤثرو مفید است، زیرا هواي آزاد به فراوانی موجود و وزن کلی سیستم نیز کم می باشد. ، بنابراین سیستم تهویه گردش هواي هواپیما، از نوع سیکل باز که از هوا به عنوان مبرد و واسط سرد کننده استفاده شدهومستقیماً جهت خنک کردن فضاي مورد نظر - کابین هواپیما - بکار می رود.
برتولینی و همکارانش[8 ] در سال 1992 مقاله سیکل هوایی خنک کننده نوع باز با ماشینهاي دوار را ارائه کردند که حاکی از آن بود که سیستم هاي سرد کننده هوا که از سیال هوا به عنوان مبرد در سیکل باز استفاده می کنند با وسعت زیاد به کار رفته اند و کارایی بالایی را با توجه به فشردگی - نسبت تراکم - ووزن پایین خود نشان می دهندوهمچنین طبق تحلیل هاي انجام شده توسط این مقاله ، امکان پذیر بودن کاربرد ماشین هاي دوار به عنوان کمپورسور و توربواکسپاندر به منظور بهبود نسبت تراکم2 و کاهش هزینه ها را نشان داده و کاهش قابل توجه هزینه تولید و هزینه هاي نگهداري پایین این دستگاه ها می تواند تا حدي COP پایین را جبران کند.
اس انجل کینگ 3 واچ هراس4 از دانشگاه هان آور5 آلمان[2] در سال 1996روي موضوعی به نام توسعه سیستمهاي سرمایشی هوایی براي مقاصد حمل و نقل - قطار هاي سرعت بالا - تحقیق کردند که نتایج کار ایشان حاکی از آن بود که بازدهی سیستم تبرید با چرخه هوا به کارایی و عملکرد اجزاي سیستم دارد و تاثیر راندمان اکسپاندر نسبت به سایر اجزاي سیستم بیشتر است. کروس و همکارانش[9] در سال 2006 مقاله عملکرد چرخه هواي فشار بالا را با چرخه هاي طبیعی دیگر - دي اکسید کربن ، آب و .... - و همچنین چرخه هاي مصنوعی اعم از تبرید تراکمی بخار مورد بررسی و مقایسه قرار دادند.
ژئینگ ژانگ6 وهمکاران[2] در سال 2011 روي سیستم تهویه قطارهاي سرعت بالاي چین که با مبرد هوا کار می کرد تحقیق انجام دادند، سیستمی که براي تهویه قطار چینی بکار برده شده از نوع سیکل باز بوده که هواي سرد از اکسپاندر مستقیما به فضاي تهویه قطار دمیده می شود که نتیجه کار تحقیقاتی آنها به اینصورت بود که با آنالیز ترمودینامیکی و شبیه سازي، یافته ها حاکی از آن بود که با نسبت فشاردر کمپرسور 2 تا 2,5 ، ضریب عملکرد سیکل حاصل بین 1 تا 1,2 و دماي خروجی اکسپاندر بین 1 تا 6 درجه سانتی گراد خواهد بود و لذا براي افزایش ضریب عملکرد می بایست شاخصهاي کارایی - بازده - کمپرسور ، اکسپاندر و مبدلهاي حرارتی را افزایش داد. سانگو پارك و جی آهن7 و تانگ کیم11] 8و[2 در سال 2012 از دانشگاه اینها9 جمهوري کره موضوع سیستم هوایی نوع باز را شبیه سازي نمودند.
عباسعلی آرامی[2] در سال 1393 سمینار مربوط به برسی سیستمهاي تهویه با مبرد هوا ارائه کرد، طبق تحقیقات انجام شده دراین سمینار، تاثیر انواع بازه هاي مکانیکی و حرارتی بر روي کارایی - عملکرد - سیستم هاي تهویه با مبرد هوا - چرخه معکوس برایتون - به طور عملی و نظري مورد بررسی قرار گرفته است. بر اساس نتایج بدست آمده در این تحقیق، تاثیر بازده اکسپاندر بر روي کارایی سیکل بیشتر از تاثیر بازده کمپرسور بکار برده شده در آن می باشد و لذا نتایج حاصله حاکی از آن است که تاثیر بازده مبدل حرارتی دما بالا - کندانسور - بر روي ضریب عملکرد کل سیکل بیشتر از تاثیر بازده مبدل حرارتی دما پایین - اواپراتور - آن است.
مدلسازي و روابط ترمودینامیکی مربوط به سیکل تبرید هوایی نوع باز
در این قسمت، قبل از تشریح روابط ترمودینامیکی ، شکل شماتیک سیکلهاي بدون بازیاب و با بازیاب که درشکلهاي 1 و 2 نشان داده شده را توسط نرم افزار EES مدلسازي نموده و سپس روابط ترمودینامیکی مربوط به این دو سیکل را تشریح می کنیم.
