بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه، عملکرد سیکل تبرید اجکتوری در استفاده از سیال عامل R141b بررسی شده است. همچنین تأثیر کمیتهای عملیاتی سیکل از قبیل دمای ژنراتور، کندانسور و پس فشار را بر نسبت دبی مکش شده، مورد بررسی قرار گرفته است. هندسه اجکتور توسط نرمافزار تجاریAnsys- Cfx 15.0 رسم و به حل عددی آن پرداخته شده و جهت مدلسازی جریان توربولانس داخل اجکتور از مدل -k استفاده شده است.
نظر به اینکه پارامتر پس فشار، پارامتری تأثیرگذار بر عملکرد اجکتور میباشد، لذا در یک هندسه مشخص از اجکتور و سیال عامل خاص، نباید تمامی تمرکز را برای بدست آوردن نقطه بهینه کارکرد بر روی شرایط ورودی سیال به داخل اجکتور قرار داد. زیرا تا زمانی که پس فشار زیر نقطه فشار بحرانی باشد، عملکرد اجکتور مستقل از پس فشار است.
در کار حاضر از 5 پس فشار مختلف با فواصل 10000 پاسکال که نقطه شروع آن 55000 پاسکال است استفاده شده است. مشاهده میشود که با ثابت بودن شرایط دما و فشار ورودی به اجکتور در سیالهای اولیه و ثانویه، نسبت جرمی تا یک مقدار خاص از فشار خروجی از اجکتور تقریباً ثابت میماند. اما از یک نقطه خاص به بعد، روند نسبت جرمی کاملاً نزولی شده تا به صفر برسد.
- 1 مقدمه
در دوران ما، بخش قابل توجهی از سیستمهای تبرید در بخش تهویه مطبوع و سردخانهها، از نوع سیکلهای تبرید تراکمی بخار است. این سیستمها با وجود ضریب عملکرد بالا ،دارای مصرف انرژی و آلودگی زیستمحیطی بالایی هستند. با توجه به محدودیت منابع انرژی و نیاز به کاهش آثار مخرب زیستمحیطی، استفاده از سیستمهای تبرید با نیروی محرکه حرارتی، موردتوجه قرارگرفته است. یکی از این سیستمها، تبرید اجکتوری است که مزیت مهم آن، قابلیت استفاده از منابع حرارتیبا سطح دمای نسبتاً پایین از قبیل انرژی گرمایی تلف شده در دود خروجی از وسایل نقلیه است.
انرژی خورشیدی نیز منبع حرارتی دیگری برای به حرکت در آوردن سیستمهای اجکتوری است که در سیستمهای خنککن هوای مسکونی استفاده میشود. برخلاف سیکلهای تراکمی، سیکل اجکتوری نیاز به کمپرسور ندارد و در آن یک اجکتور و پمپ جایگزین کمپرسور میشود. دیگر مزایای این سیستم شامل سادگی و عدم وجود قسمت متحرک، نیاز نداشتن به روغنکاری و همچنین کارکرد بدون صدای آن است که باعث افزایش ضریب اطمینان این سیستم میشود. همچنین هزینههای اولیه و جاری سیستم اجکتوری بسیار پایین است؛ هرچند که از مشکلات اصلی آن میتوان به پایین بودن بازده آن اشاره کرد.
البته کاربردهای اجکتور بسیار وسیع بوده و محدود به سیکل تبرید نیست. علاوه بر سیکل تبرید اجکتوری، از موارد استفاده اجکتور میتوان به استفاده در سیکل تصفیه و تفکیک نفت خام در پالایشگاهها، تخلیه یکطرفه مایعات - اجکتور همانند یک تلمبه عمل میکند - ، افزایش فشار سیالات - ترمو کمپرسورها - ، مکش مایعات، محلولها و حتی ذرات جامد، هم زدن مایعات و اختلاط گازها در مخازن نگهداری، راکتورهای شیمیایی و حوضچههای خنثیسازی، تولید خلأ در سیستمهای تبرید جت بخار، هوادهی در حوضچههای پرورش ماهی و میگو و تصفیه فاضلاب با تولید حبابهای کوچکتر نسبت به سایر دستگاهها، هوادهی به مناطق کم اکسیژن در معادن و مخازن بزرگ به هنگام عملیات حفاری و در انتهای نازل راکت با وظیفه افزایش رانش راکت، اشاره کرد.
کنان و همکاران - - 1 به مطالعه تئوری فرایندهای درون اجکتور پرداختند و یک مدل یکبعدی بر اساس روابط دینامیک گاز و تئوری اختلاط ارائه کردند؛ اما مدل آنها دارای ضعفهای زیادی بود و نمیتوانست اثر ظرفیت ثابت را هنگامیکه فشار خروجی - فشار کندانسور - کاهش مییابد، توجیه کند. روسلی و همکاران - 2 - یک اجکتور با سیال عامل R141b را مدلسازی و مشاهده کردند که در پاییندست شوکها، جریانهای برگشتی به سمت محفظه مکش ایجاد میشود.
حمیدی و همکاران - - 3 مطالعه خویش را بر روی اجکتور هوا معطوف و ملاحظه کردند که مدل k- نتایج بهتری را برای مدلسازی جریان متلاطم فراهم میکند. پیانسونگ و همکاران - - 4 نشان دادند که استفاده از مدل تقارن محوری اجکتور برای در نظر گرفتن اثر سهبعدی مناسب است و توجه خود را به مطالعه آزمایشگاهی و عددی اجکتور مافوق صوتی معطوف کردند. آنها نتیجه گرفتند که مدل متلاطم 1 RNGبرای تخمین پدیده شوک مناسبتر است.
ژیو و همکاران - - 5 به کمک دینامیک سیالات محاسباتی، به بررسی کمیتهای هندسی اجکتور در سیکل تبرید پرداختند و مشاهده کردند که برای طراحی اجکتور با عملکرد مکشی بالا موقعیت خروجی نازل باید طوری انتخاب شود که جریان ثانویه به اندازه کافی توسط جریان اولیه در محفظه اختلاط شتاب بگیرد. تئوری اختلاط در فشارثابت برای اولین بار توسط کنان و همکاران - - 6 ارائه شد. آنها فشار جریان را در محفظه اختلاط تا بخش سطح مقطع ثابت، یکسان در نظر گرفتند. براساس این تئوری، رگداکیس و الکسیس - - 7 یک مدل اجکتور دوفازی با در نظر گرفتن خواص واقعی ارائه کردند.
کایروآنی و همکاران - - 8 نیز با اعمال تأثیر اصطکاک و بازده انرژی، مدل جامعی ارائه کردند. سلوارج و مانی - - 9 به بررسی اثر ابعاد اجکتور و شرایط عملیاتی بر عملکرد سیکل با سیال عامل R134a به روش آزمایشگاهی پرداختند و مشاهده کردند که دمای ژنراتور، اواپراتور و کندانسور در عملکرد اجکتور، تأثیر به سزایی دارد و با انتخاب مناسب این دماها میتوان برای اجکتور، به بالاترین مقدار ضریب عملکرد دست یافت. خلیدی و زایونیا - - 10 آزمایشهایی روی اجکتور با دمای ژنراتور، کندانسور و اواپراتور به ترتیب برابر 44/8 ،100/7 و 55/8 درجه سلسیوس انجام دادند و ضریب عملکرد سیستم را 0/26 بدست آوردند.
در این تحقیق، سیال کاری R113 است. در سال 2001 هیونگ و همکاران - - 11 عملکرد سیستم تبرید اجکتور خورشیدی را با سه نمونه جمع کننده خورشیدی بررسی کردند. آنها نشان دادند که با انتخاب مناسب دمای ژنراتور با صفحات جمع کننده معمول، یک ضریب عملکرد بهینه برای سیکل به دست میآید. سان - - 12 به بررسی نقش سیال عامل بر عملکرد سیکل پرداخت. وی ملاحظه کرد که از بین سیالات عامل مورد مطالعه، آب کمترین و R152a بیشترین ضریب عملکرد را دارد. هانگ و همکاران - - 13 یک سیستم تبرید اجکتور خورشیدی با مبرد R141b را توسعه دادند. آنها نشان دادند که عملکرد این سیستم به شدت وابسته به سیال عامل است و ضریب عملکرد سیکل اجکتوری را 0/5به دست آوردند.
لی بالانس - - 14 یک اجکتور با سیال عامل آب ابداع و مشاهده کرد که سیکل دارای ضریب عملکرد پایین است. چن و همکاران - - 15 با ارائه یک مدل تحلیلی، به ارزیابی عملکرد بهینه اجکتور در سیکل تبرید و به دست آوردن هندسه مناسب برای عملکرد بهینه پرداختند. مهر و مومهای عامل در کار آنها فقط دو مبرد R123 و R141b است؛ ولی تأثیر ابعاد اجکتور بر عملکرد آن، بهطور مفصل بررسی شده است.
یو و همکاران - - 16 یک مطالعه تئوری بر سیکل تبرید اجکتوری با یک اجکتور دومرحلهای و با مبرد جدید R32 پرداختند و این مبرد را از نظر بهبود ضریب عملکرد سیکل تبرید نسبت به مبرد R22 پرداختند و این مبرد را از نظر بهبود ضریب عملکرد سیکل تبرید نسبت به مبرد R22 توصیه کردهاند. با توجه به مطالعات اخیر با انتخاب کار مرجع[13] به شبیهسازی یک سیکل تبرید اجکتوری پرداخته میشود و اثر دمای ژنراتور و کندانسور بر روی نسبت دبی مکش شده بررسی میگردد.
- 2 سیستم تبرید اجکتوری
شکل - - 1 طرح ترسیمی سیکل تبرید اجکتوری را نشان میدهد که بویلر، اجکتور و پمپ، بهجای کمپرسور در سیکلهای تراکمی تبخیری، استفاده شده است.
شکل - - 1 طرح ترسیمی سیکل تبرید اجکتوری
گرمای داده شده در ژنراتور به سیال مبرد، دمای آن را میافزاید و با حرکت سیال اولیه در نازل همگرا- واگرا، مبرد فشار کم در اواپراتور را به حرکت درمیآورد. نتیجه این فرایند، کاهش فشار در اواپراتور است که در آن، مبرد تبخیر میشود و سیال اولیه و ثانویه مخلوط شده به کندانسور وارد میگردد. عمل تقطیر در کندانسور، عموماً در دمای محیط صورت میگیرد.
بخشی از سیال مبرد، توسط پمپ به ژنراتور میرود و بخش دیگر، بهوسیله شیر انبساط به اواپراتور وارد میشود. در این سیکل، اجکتور قلب سیستم است که در آن، به کمک انرژی جنبشی سیال اولیه، سیال ثانویه به حرکت درآورده میشود. فشار سیال مخلوط شده در خروجی اجکتور، بین فشار سیال اولیه و سیال ثانویه است. طراحی اجکتور، براساس محل قرارگیری نازل به دو روش انجام میشود.
اگر خروجی نازل در بخش سطح مقطع ثابت اجکتور باشد، اختلاط جریانهای اولیه و ثانویه در این ناحیه صورت میگیرد و تئوری اختلاط در بخش سطح مقطع ثابت استفاده میشود. اگر انتهای نازل در بخش مکش باشد، اختلاط این جریانها در بخش مکش و در فشارثابت است که این روش، به تئوری اختلاط در فشارثابت معروف است. چون اجکتورهای نوع دوم عملکرد بهتری دارند، در این مقاله، از مدل اختلاط در فشارثابت استفاده شده است
- 3 معادلات حاکم
شکل - - 2 تغییرات سرعت و فشار استاتیک را در طول اجکتور نشان میدهد . سیال اولیه با فشار زیاد - Pp - وارد نازل اولیه که یک نازل همگرا - واگرا است میشود، و سپس در این نازل شتاب میگیرد تا در خروجی نازل، جریان بهسرعت مافوق صوت برسد. سیال اولیه در نازل اجکتور، تا فشار - P2 - به صورت ایزنتروپیک منبسط میشود و با سیال ثانویه در فشارثابت و در محفظه اختلاط، مخلوط میگردد. اختلاط تا قبل از ورود به ناحیه قطر ثابت کامل میشود و سیال مخلوط شده با همان فشار - P3 = P2 - با سرعت مافوق صوت به ناحیه قطر ثابت وارد میگردد. در این ناحیه بواسطه حضور یک شوک قائم، که اثر تراکمی قوی بر سیال دارد، فشار تا - P5 - افزایش مییابد و سیال با سرعت مادون صوت به دیفیوزر وارد شده، تا - Pc - متراکم میگردد.
