مقاله شبیه سازی سیکل تبرید تراکمی بازگشت ناپذیر دو طبقه با سیال عامل R134a

بخشی از مقاله

چکیده

تهویه مطبوع و ایجاد فضای خنک در تابستان گرم، به خصوص در مناطق گرمسیری ایران یکی از مهمترین دغدغه های انسان است. معمولا در این مناطق برای سرمایش از سیکل سرمایش تراکمی استفاده میشود. در این مقاله سیکل تبرید تراکمی دو طبقه برای اهداف تهویه بهتر با سیال عامل R-134a در نرم افزار EES شبیه سازی شده است. در این شبیه سازی ها حالت واقعی در نظر گرفته شده است.

در حالت واقعی برای کمپرسور بازده تعریف شده است. ورودی کمپرسور بخار مافوق گرم و ورودی شیر فشار شکن مایع متراکم بوده است. در این شبیه سازی ها تغییرات ضریب عملکرد سیکل نسبت به تغییر دمای بالا و پایین سیکل و تغییرات دما در خروجی کندانسور، خروجی اواپراتور و هم چنین نسبت به بازده کمپرسور مورد بررسی قرار گرفته است.

مقدمه

امروزه بدون بهرهگیری از سیستم تبرید ساختمانهای بزرگ نظیر مجتمع های مسکونی، تجاری و صنعتی، درصورتی که از تجهیزات تهویه مطبوع و تبرید مکانیکی بهره گیری نشود، به دلیل گرمای محیط در تابستان این ساختمان ها غیر تحمل خواهند بود. بطوری که از اسم تهویه مطبوع برمیآید این مقوله با شرایط هوا در نواحی یا فضاهای مورد نظر در ارتباط می باشد و نه تنها کنترل دما بلکه کنترل رطوبت و سرعت وزش هوا را نیز به همراه تصفیه و تمیز کردن آن شامل میشود.

تمام سیستم های تبرید تراکمی که جهت ایجاد سرما بکار گرفته میشوند از چهار قسمت اصلی تشکیل شده اند که این چهار قسمت عبارتند از : کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط و اواپراتور. اصول کار سیستم های تبرید تراکمی بدین صورت است که مقداری کار در کمپرسور به سیستم داده میشود، کمپرسور سیال مبرد را متراکم نموده و سیال که در اثر افزایش فشار به صورت گاز داغ1 میباشد در کندانسور حرارت خود را به محیط پس میدهد و پس از عبور از شیر فشارشکن فشار آن کاهش یافته و وارد اواپراتور میشود.

سیال عامل سیکل با ضریب ژول- تامسون مثبت انتخاب میشود، در نتیجه در اثر کاهش فشار دما هم کاهش مییابد و سیال عامل حرارت محیط اطراف را کسب میکند و درنتیجه هوای اطراف اواپراتور سرد میشود. مقوله انرژی مقوله بسیار مهمی است لذا محققین زیادی در این زمینه های کار کردند. مددی و همکارانش [1] با شبیه سازی سیکل تبرید تراکمی در نرم افزار EES تاثیر چهار پارامتر نوع مبرد، نسبت تراکم کمپرسور، مافوق گرم کردن بخار خروجی اواپراتور، مافوق سرد کردن سیال خروجی کندانسور، از دیدگاه انرژی و اگزرژی مقایسه و ارزیابی کردند.

توحید و امید ادیبی [2] در مقاله خود به بررسی میزان کارایی سیکل تبرید جذبی خورشیدی در مقایسه با سیکل تبرید تراکمی در مناطق گرمسیری کشور پرداختند. با توجه به کار مصرفی کمتر پمپ در قیاس با کمپرسور برق مصرفی سیکل های تبرید جذبی به مراتب پایین تر از سیکل های تراکمی است. در مقاله دیگری [3] همین کار را برای مناطق سردسیری تعمیم دادند. در این دو مقاله از نظر اقتصادی هم استفاده از سیستم های خورشیدی بررسی شده است. با توجه به کمتر بودن گرمای دریافتی در مناطق سردسیری، دوره بازگشت سرمایه در این مناطق نسبت به مناطق گرمسیری بیشتر بوده است.

این نویسندگان در کارهای دیگری [5 ,4] از جنبه های دیگری مثل تعدیل دمای داخل ساختمان، دوجداره کردن پنجره ها، عایق کاری دیوار های خارجی به مقوله مصرف اند. در این کارها نیز از زاویه اقتصادی هم به مسایل نگاه شده است تا مشخص شود سرمایه گذاری در این زمینه ها چقدر می تواند مفید باشد. ادیبی و فرهنگ مهر [6] در کار دیگری، مطالعه انجام شده در مرجع [2] را ادامه دادند. در این مقاله سیکل های جذبی و تراکمی در نرم افزار EES شبیه سازی شدند.

نتایج حاصل از این شبیه سازی ها امکان مطالعه دقیق تر این سیکل ها و امکان سنجی استفاده از سیکل های جذبی خورشیدی به جای سیکل های تراکمی را فراهم نمودند. همچنین در کارهای دیگری ادیبی و همکارانش [7] و [8] مقوله بهینه سازی انرژی در سیکل برایتون را مورد مطالعه قرار دادند. با تغییر فشار خنک کن میانی بازده سیکل تغییر می کند. سهراب نژاد و کریمی [9] تراکم سه مرحله ای همراه با مبدل حرارتی میانی و سیکل تبرید تراکمی ساده با مبرد هیدروکربنی را بررسی و شبیه سازی کردند.

در این مقاله سعی شده است که به جای یک کمپرسور از دو کمپرسور در سیستم استفاده شود که در این صورت سیکل به صورت دو طبقه در میآید. سیکل سرمایش تراکمی دو طبقه با نرم افزار EES2 شبیه سازی شده است و تاثیرات آن بر روی ضریب عملکرد سیستم در حالت های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است که در ادامه هر یک مورد مطالعه قرار میگیرد.

معادلات

چرخهی ترمودینامیکی آن نیز در شکل - 2 - آورده شده است. همانطور که انتظار میرفت کار کمپرسور کاهش مییابد و مقدار گرمای جذب شده از فضای سرد افزایش یافته است که درنتیجه ضریب عملکرد سیستم افزایش خواهد یافت.

بحث بر روی نتایج

میزان مصرف انرژی کمپرسور، میزان سرمایش ایجاد شده و ضریب عملکرد سیکل از پارامتر های مهم سیکل تبرید تراکمی میباشد . سیکل تبرید تراکمی واقعی با سیکل ایده آل چند تفاوت دارد، و این تفاوتها عمدتا ناشی از برگشت ناپذیریهایی است که در اجزاء مختلف روی میدهند. دو تا از عوامل برگشت ناپذیری عبارتند از اصطکاک سیال - که باعث افت فشار میشود - و انتقال گرما با اطراف. سیکل تبرید تراکمی دو طبقه واقعی به کمک نرم افزارEES شبیه سازی شده است و ضریب عملکرد آن نسبت به راندمان، دمای خروجی کندانسور، دمای خروجی اواپراتور و دمای بالای سیکل و پایین سیکل مورد بررسی قرار گرفته است. نمودار کلی سیستم نیز در شکل - 3 - آورده شده است.

در شبیه سازی انجام شده، در شکل بالا، A نشاندهنده ی سیکل پایین میباشد و B نشاندهنده ی سیکل بالا می باشد. فشار داخل کندانسورها و اواپراتورها ثابت فرض شده است. همچنین آنتالپی ورودی و خروجی شیر فشارشکنها ثابت فرض شده است. در حالت واقعی برای کمپرسور بازده تعریف شده است و ورودی کمپرسور بخار مافوق گرم و ورودی شیر فشارشکن مایع اشباع بوده است. برای شبیه سازی سیکل، ابتدا دما، آنتالپی، فشار و آنتروپی نقاط مختلف به کمک جدول های ترمودینامیکی موجود در نرم افزار تعیین شده است.

سیال عامل این سیکل R-134a انتخاب شده است. دلیل انتخاب آن غیر سمی بودن، غیرقابل اشتعال بودن، جذب کننده رطوبت میباشد و هم چنین جایگزینی مناسب برای CFC های کاملا هالوژنه - که در تخریب لایه ی اوزن بیشترین سهم را دارند - است . از طرفی دو پارامتر مهمی که در انتخاب مبرد باید در نظر گرفت عبارت است از دماهای دو محیط - فضای تبرید شده و اطراف - که مبرد با آنها تبادل گرما دارد.

برای ایجاد انتقال گرما با آهنگ معقول بین مبرد و محیطی که مبرد با آن انتقال گرما دارد اختلاف دمای 5 تا 10 درجه ی سانتیگراد باید وجود داشته باشد، که R-134a یک نمونه از اینگونه مواد میباشد. هنگامی که سیکل تبرید تراکمی به صورت دوطبقه درمیآید، مقدار کار مصرفی و هم چنین ضریب عملکرد سیکل تغییر مییابد که در شکل - 4 - قابل مشاهده است.

کاهش کار کمپرسور

خروجی کمپرسور از کندانسور خارج میشود. ولی در حالت های واقعی، مقداری افت فشار در کندانسور، کمپرسور، شیر انبساط وجود دارد. همچنین، نمی توان به سهولت فرایند چگالش را با آن چنان دقتی انجام داد که مبرد در انتهای فرایند به صورت مایع اشباع باشد، و فرستادن مبرد به شیر انبساط قبل از چگالش کامل آن کار مطلوبی نیست. بنابراین مبرد قبل ورود به شیر انبساط کمی فرسوده می شود. ولی، هیچ وقت اهمیتی به این موضوع نمی دهیم، زیرا مبرد در این حالت با آنتالپی کمتری وارد اواپراتور میشود و میتواند گرمای بیشتری را از فضای تبرید شده جذب کند.

اما هنگامی که سیستم را اصطلاحا مافوق گرم میکنیم و از حالت ایدهآل خارج میکنیم و دمای خروجی اواپراتور را به تدریج افزایش میدهیم ضریب عملکرد به دو صورت تغییر مییابد که در شکل های - 7 - و - 8 - قابل مشاهده است. در سیکل ایدهآل، مبرد بصورت بخار اشباع از اواپراتور خارج و وارد کمپرسور میشود. ولی، در عمل نمیتوان حالت مبرد را دقیقا کنترل کرد. بلکه، بهتر است سیستمی طراحی شود که مبرد را در ورودی کمپرسور تا اندازه ای مافوق گرم کند.

مبرد قبلا از ورود به کمپرسور کاملا تبخیر میشود. همچنین، خط اتصال بین اواپراتور و کمپرسور معمولا خیلی بلند است؛ از این رو افت فشار حاصل از اصطکاک سیال و انتقال گرما از اطراف به مبرد میتواند خیلی زیاد باشد. تاثیر فوق گرمایش، جذب گرما در خط اتصال، و افتهای فشار در اواپراتور و خط اتصال این است که حجم مخصوص افزایش مییابد، و از این رو قدرت مورد نیاز کمپرسور افزایش مییابد زیرا کار جریان پایا متناسب با حجم مخصوص است.

در شکل بالا همانطور که مشهود است، وقتی به تدریج دمای خروجی کندانسور کاهش مییابد، ضریب عملکرد سیکل A، B و کل سیکل کاهش مییابد. در حالت ایده آل، فرض میشود مبرد به صورت مایع اشباع در فشار با افزایش دمای خروجی اواپراتور، باعث میشود که دمای آن به تدریج به دمای محیط اطراف نزدیک شود و درنتیجه اواپراتور گرمای کمتری را دریافت میکند. این امر باعث کاهش ضریب عملکرد سیکل A، B و به طبع کل سیکل میشود. اما در حالت دوم در شکل - - 8 با افزایش تدریجی دمای خروجی اواپراتور، ضریب عملکرد سیکل سرمایش نیز افزایش مییابد.