مقاله تعیین تحلیلی و تجربی شاخص مصرف انرژی چیلرهای تراکمی آبی در ایران

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

تعيين تحليلي و تجربي شاخص مصرف انرژي چيلرهاي تراکمي آبي در ايران

چکيده :
چيلرهاي تراکمي با کندانسور و اواپراتور آبي که به عنوان يکي از مهمتـرين اجـزاء فرآينـدهـاي تهويـۀ مطبـوع در بـسياري از ساختمان ها استفاده مي شود، در زمرة مصرف کنندگان عمدة انرژي الکتريکي مي باشند. مصرف برق توسط چيلرهـا بـه ويـژه در بعد از ظهرهاي گرم تابستان باعث افزايش مصرف انرژي الکتريکي و ايجاد دخالت اوج مصرف در آن ساعات مي شود. بنابراين نياز به بهينه کردن عملکرد و افزايش بازدهي ، در چيلرها از اهميت بسزائي برخوردار است . در مقاله حاضر سيکل سـاده تبريـد چيلر تراکمي آبي شبيه سازي رياضي و با استفاده از نرم افزار دلف (Delphi) براي کاربر محاسبۀ ضـريب عملکـرد و مـصرف انرژي الکتريکي امکان پذير شده است . شاخص مصرف انرژي چيلرها برحسب کيلو وات در هرتن (kw.ton) در محـدودة ٢٠ تا ٦٠ تن بدست آمده از برنامه مدلسازي با آزمايشگاه هاي انجام شده در آزمايشگاه استاندارد يکي از شـرکت هـاي توليـدي در کشور مقايسه گرديده است . نتايج نشان مي دهند که چيلرهاي ساخت داخل براي کـاهش مـصرف انـرژي و رسـيدن بـه معيـار مناسب شاخص مصرف انرژي نياز به بهينه سازي دارند.

١ ـ مقدمه
نگاهي گذرا به مصرف برق در سال هاي اخير نشان دهنده اهميتي است که برق در مقايسه با ساير انواع حامل هاي انـرژي پيـدا کرده است و مصرف انرژي برق را به نسبت زيادي افزايش داده است . اين رونـد صـعودي مـصرف کننـدگان انـرژي بـرق در قسمتهاي مختلف را به سمت کاهش و صرفه جوئي در مصرف وادار کرده است . طي سال هاي ٧٧ ـ ١٣٥٥ مصرف برق کـشور با ميانگين نرخ رشد سالانه ٩.٩% افزايش يافته است . طي اين سال ها مصرف برق در قسمت خـانگي بـا ٣٥% افـزايش همـراه بوده است [١]. يکي از مصرف کنندگان عمده برق ساختمان ها چيلرهاي تراکمي مي باشند که تنـاژ تقريبـي نـصب شـده آبـي و هوايي آنها در ايران در سال ١٣٧٩ حدود ٧٥٠.٠٠٠ تن [٢] و مصرف انرژي کل آنهـا در سـال حـدود GWh ٦٦٠ تخمـين زده مي شود. با عنايب به اينکه وسايل پر مصرف برقي طبق قـانون برنامـه دوم توسـعه اقتـصادي ، اجتمـاعي ، فرهنگـي ، جمهـوري اسلامي ايران [٣] بايستي داراي مصرف انرژي استاندارد طبق معيارهـاي جهـاني باشـند، لـذا بـراي تحقـق بخـشي از ايـن امـر چيلرهاي پر مصرف که معمولاً در محدودة ٢٠ تا ٦٠ تن تبريد قرار دارند در شرايط استاندارد آزمايش و سـيکل عملکـرد آنهـا توسط مدلسازي رياضي تحليل و ضرائب عملکرد و متوسط شاخص مصرف انرژي آنها تعيين و مقايسه شدند.
٢ ـ بخش مدلسازي وشبيه سازي
چيلر از اجزاء اصلي اي مانند اواپراتور، کندانسور، کمپرسور و شير انبساط تشکيل شده است . در اين مقالـه حالـت پايـدار يـک سيستم تبريد تراکمي شامل اجزاي مورد اشاره شبيه سازي شده است که ذيلاً مختصري از چگونگي و روابط مدلسازي رياضـي آورده شده است .

٢ ـ ١ ـ اواپراتور
انتقال حرارت از ديوارة لوله به مبرد اواپراتور طي عملکرد دايمي در دو منطقه صورت مي گيرد. منطقه اول ناحيه دو فازي است که انتقال حرارت بصورت جابجائي اجباري دو فازي مي باشد و منطقه دوم ناحيه تک فازي است که انتقـال حـرارت بـصورت جابجـائي اجبـاري بـه بخـار ســوپرهيت مـي باشـد. ضـريب انتقـال حـرارت جوشـش محلـي داخـل لولـه صـاف از رابطـه تابورک (Taburek) [٤] بصورت زير مي باشد:

در رابطۀ (١)، hNCB و hC به ترتيب ضريب انتقال حرارت مربوط بـه مکـانيزم هـاي جوشـش هـسته اي و جريـان دور فـاز
اجباري بوده که به ترتيب از روابط زير بدست مي آيند:

ضريب انتقال حرارت در ناحيه سوپرهيت از رابطه زير قابل محاسبه است :

مقدار ضريب انتقال حرارت متوسط جوشش از رابطه زير بدست مي آيد:

که در آن x کيفيت مبرد مي باشد.
روش هاي مختلفي براي افزايش ضريب انتقال حرارت داخل لوله بکار گرفته مي شود از جمله استفاده از لوله هاي ميکروفين دار و ستاره آلومينيومي داخل لوله مي باشد. روابط مربوط به لوله هاي ميکروفين دار از مرجع [٥] اسـتخراج شـده و نهايتـاً ضـريب افزايش انتقال حرارت بواسطه تعبيه ستاره آلومينيومي بقرار زير مي باشد.

براي طراحي پارامترهاي موثر در اواپراتور از مرجع [٦] و براي محاسبه ضـريب انتقـال حـرارت سـمت آب (پوسـته ) از روش عملي بل (Bell) [٧] استفاده شده است .
٢ ـ ٢ ـ کمپرسور
دريک سيستم تبريد تراکمي کمپرسور بين اواپراتور و کندانسور قرار داده مي شود و کمپرسور مبرد فـشار پـائين را از اواپراتـور مي مکد و آنرا به درجه حرارت و فشار بالاتري متـراکم و بخـار سـوپرهيت حاصـله را بـه کندانـسور تخليـه مـي کنـد و مـدل کمپرسوري که در اين مطالعه شبيه سازي شده از نوع رفت و برگشتي مي باشد. روابط نهايي بـراي رانـدمان عملـي تـراکم h
وضريب عملکرد سيکل تراکم چيلر COP به ترتيب از روابطه زير محاسبه مي گردند[٨]:

که در روابط بالا VP حجم جاروب شده ، اختلاف آنتالپي مبرد در اواپراتـور، رانـدمان حجمـي سـيلندر، hmot راندمان موتور الکترکي مي باشند.
ضمناً در اين بخش امکان استفاده از منحني هاي عملکرد کمپرسورهاي ساخت شرکت کوپلند (Copeland) براي انتخاب کمپرسورها به کد کامپيوتري نوشته شده اضافه گرديده است .

٢ ـ ٣ ـ کندانسور
کندانسور شبيه سازي شده در اين مطالعه از نوع آب سرد شونده مي باشد. در مدلسازي کندانسور ضريب انتقال حرارت سـمت آب از روابط معمول و ضريب انتقال حرارت تقطير روي لوله بافين هاي کوتاه از مدل رز(Rose) [٩] با محاسبه شار حرارتـي در نواحي مختلف روي لوله بدست مي آيد:

زير نويس هاي tip،flank ،int مربوط به نواحي سه گانه نوک فـين پهلـوي فـين و سـطح خـالي بـين فـين هـا (سـطح لولـه ) مي باشند.tf‚hf ‚Sf به ترتيب ضخامت ، ارتفاع و فاصله فين ها و مقـادير و  تـابعي از مشخـصات هندسـي فـين ، ضريب فيلم تقطير و مشخصات ترموفيزيکي سيال است .
٢ ـ ٤ ـ شير انبساط
شير انبساط بصورت يک اريفيس مدلسازي شده است . اين وسيله اساساً به علت نـازک بـودن هـيچ جرمـي از مبـرد را ذخيـره نمي کند. همچنين فرض شده است که هيچگونه انتقال حرارتي بين شير و هواي محيط وجود نداشته و خواص مبرد ورودي به شير انبساط معادل خواص مقادير خروجي از کندانسور باشد. بسته به شرايط فـشار و درجـه حـرارت داخـل کندانـسور، مبـرد ورودي به اريفيس مي تواند بخار، مايع يا ترکيبي از دو فاز باشد. براي يک شير انبساط خاص گـاهي سـازنده داده هـاي تجربـي براي تعيين دبي عبوري ازشير را فراهم نموده است . آرماند(Armand) و همکاران [١٠] رابطۀ زير را براي شيرهـاي انبـساطي
ارائه کرده اند:

که در رابطۀ فوق : k ضريب ثابت براي تعيين دبي عبوري pL چگالي مبرد مايع قبـل از شـير افـت فـشار در طـول شـير مي باشد.
شبيه سازي سيکل چيلرهاي تراکمي آبي با تهيه يک کد کامپيوتري ميسر گرديده است . اين کد تحت ويندوز ٩٨ بوده و کليـات برنامه در محيط دلفي مي باشد. اين برنامه قادر است انواع چيلرهاي يک کمپرسـور ويـک اواپراتـوري چنـد کمپرسـور و چنـد اواپراتوري را شبيه سازي نمايد. پس از راه اندازي و اجراي کد و کسب اطمينان از عملکرد صحيح آن برنامـه بـراي چيلرهـاي تراکمي ٢٠ تا ٦٠ تن شرکت تهويه با مشخصات مکانيکي ساخت آنها از قبيل قطر داخلي پوسته ، طول پوسته ، تعداد بافـل هـا و
... در شرايط پايدار اجراء شده است . اين کد کاربر بطور دوستانه رابطه بر قرار و پس از اجـراي برنامـه بـا اسـتفاده از مقـادير ورودي اصلي و مقادير حدس زده شده و نرم افزار شروع بکار مي نمايد. در پايان هر سيکل کامل متغيرها با مقادير سيکل قبلـي مقايسه شده و تا رسيدن به خطاي مجاز محاسبات تکرار مي شود. مقدار خطاي مجاز براي متغيرهاي مختلـف برحـسب ميـزان اهميت و تأثير در نتايج نهائي انتخاب شده بين ٠.٠٠٥ تا ١% تغيير مي کنند. در شکل هاي (١) و (٢) نحوه ورود داده هاي مربوط به سيکل و نحوه مقدار دهي مربوط به اجزاء (براي مثال اواپراتور) و پنجره هنگام اجراي برنامه و نحوه گزارش نتايج سيکل بـه ترتيب در شکل هاي (٤) و (٣) مشاهده مي گردند.