بخشی از مقاله
چکیده
کاهش منابع انرژی فسیلی و افزایش بی رویه آلودگی هوای شهرها که بخش عمده ای از آن ناشی از حضور خودروها در سطح شهر است، صنعت خودروسازی را که از مهمترین صنایع مربوط به موتورهای درونسوز است بر آن داشته تا به روشهای مختلف، مصرف سوخت خودرو را کاهش دهند. حذف کمپرسور سامانه سرمازای تراکمی و استفاده از سامانه سرمازای جذبی، یک راه برای کاهش مصرف سوخت خودرو و در عین حال کاهش هزینه است.
طراحی یک چرخه سرمازای جذبی لیتیوم برماید-آب بر مبنای شرایط محیطی موجود در خودرو و استفاده از محصولات احتراق به عنوان منبع گرمایی صورت گرفته و سامانه طراحی شده صحت سنجی شد. منیفولد دود موتور درونسوز خودرو تندر 90 بهعنوان موتور معیار به صورت تجربی و همینطور ترمودینامکی تحلیل شده و مشخص شد امکان راهاندازی این سامانه در دورموتور 2500 دور بر دقیقه میسر است و این به معنای امکان استفاده از این سامانه در خودروهای هیبریدی و یا مجهز به گیربکس CVT خواهد بود.
مقدمه
بازار خودروهای سواری هماره به عنوان مهمترین و پیشروترین بازار موتورهای درونسوز مورد توجه بوده است. در این بین، همواره دغدغههای گوناگون و عوامل رقابتی در سوق دادن این صنعت رو به جلو تاثیر گذار بودهاست. مواردی همچون افزایش توان تولیدی، افزایش ایمنی، کاهش قیمت از اصلی ترین دغدغههای خودرو سازان بود تا اینکه لزوم توجه به محیط زیست و کاهش منابع انرژی، کاهش آلودگی و مصرف سوخت را در صدر معیارهای ساخت خودرو قرار داد. بدین منظور تکنولوژیهای بسیاری در راستای کاهش مصرف سوخت موتورهای درونسوز ابداع شد و تلاشهای مستمری نیز در جریان است.
یکی از مواردی که باعث افزایش مصرف سوخت خودرو میگردد، استفاده از سیکل رانکین معکوس برای تهویه هوای خودرو در فصول گرم سال است. این سامانه تهویه هوا، از یک کمپرسور در جریان چرخه خود استفاده میکند که گشتاور نسبتا بالای مورد نیاز این کمپرسور از طریق گشتاور تولیدی موتور خودرو تامین میگردد، تولید این میزان گشتاور علاوه بر گشتاور مورد نیاز برای کارکرد اصلی موتور - پیشرانش خوردو - به معنای افزایش میزان سوخت مصرفی موتور در بازه زمانی استفاده از سامانه تهویه است. این موضوع به معنای افزایش هزینههای خودروسوار و همچنین افزایش آلودگی ناشی از کارکرد خودرو است.
چرخه سرمازای جذبی که توسط فارادی در سال 1824 کشف شد، فاقد هر نوع کمپرسور بوده و در طول چرخه خود تنها از یک پمپ برای افزایش فشار محلول خود بهره میبرد، منبع اصلی انرژی این سامانه گرما است، فلذا در برخی نقاط دنیای امروز در کنار نیروگاههای حرارتی سردخانههایی مجهز به چرخه مذکور تعبیه شده تا از گرمای اضافی موجود در اگزوز نیروگاه در راستای تولید سرمایش استفاده گردد.
وجه شباهت میان موتورهای درونسوز خودرو و نیروگاههای حرارتی، همان گرمای اضافی موجود در اگزوز است که ایده استفاده از سامانه جذبی برای تهویه هوای خودروی سواری را ایجاد کرده است. در میان انواع سامانههای سرمازای جذبی، چرخه آب- آمونیاک و لیتیوم برماید-آب رایج هستند که با در نظر داشتن انکه در نوع آب-آمونیاک، ماده مبرد آمونیاک است و قرار داشتن آمونیاک در نزدیکی سرنشینان با توجه به خواص سمی این ماده خطرناک است، فلذا سامانه سرمازای جذبی با جاذب و مبرد لیتیوم برماید- آب بهترین انتخاب برای پیاده سازی در خودروی سواری است.
بدین ترتیب و با جایگزینی سامانه سرمازای جذبی به جای سامانه سرمازای تراکمی، تهویه هوای کابین خودرو، منجر به افازیش مصرف سوخت نخواهد شد که این موضوع به معنای کاهش سرانه مصرف سوخت، کاهش آلودگی ناشی از عملکرد موتور درونسوز و کاهش هزینههای خودرو برای سرنشین آن است.
اصول عملکرد و طراحی سامانه سرمازای جذبی
در یک سیکل تبرید جذبی، بخار سرمازای خروجی از تبخیرکننده1، به جای آنکه تحت مکش کمپرسور قرار گیرد، جذب مایع جاذب2 میگردد. عمل جذب در محفظهای با همین نام صورت میگیرد و با توجه به گرما زا بودن این عمل، خنک کاری جاذب مورد نیاز است. در مرحله بعد پمپ محلول3، محلول جاذب و سرمازا را به فشار بیشینه میبرد تا محلول به ژنراتور برسد، در این مرحله با اعمال حرارت به محلول ماده سرمازا از جاذب جدا میگردد، ماده سرمازا به سمت چگالنده4 حرکت کرده و ماده جذبکننده به جاذب برمیگردد. نکته مهم آن است که به منظور عملکرد مناسب چرخه، دمای ژنراتور نبایستی از مقدار مشخصی کمتر باشد.
لازم به ذکر است گرمای لازم برای ژنراتور توسط اگزوز موتور درونسوز و خنککاری لازم برای جاذب و چگالنده سامانه، به دلیل محدودیتهای خاص موجود در خودرو سواری، توسط مبادلهکنهای حرارتی هواخنک صورت میپذیرد، همچنین با توجه به نیاز رسیدن هر چه سریعتر منیفولد دود به دمای Light off کاتالیست به منظور پاس شدن استانداردهای آلودگی خودرو، بایستی پس از انجام ملاحظات لازم، حداقل زمانی را پس از استارت خودرو تعیین نمود که مرکز کنترل الکترونیک خودرو اجازه فعالیت به پمپ سامانه سرمازا را نداده تا دمای لازم برای فعالیت بهینه کاتالیست فراهم شود.
برای طراحی ترمودینامیکی چرخه، کار با در نظر گرفتن برخی محدودیتهای موجود و پارامترهای دلخواه برای سامانه آغاز میگردد. محدودیتهای مورد اشاره شامل توانایی بالقوه خنکسازی چگالنده و جاذب و کریستال نشدن نمک لیتیوم برماید موجود در محلول است.
برای سامانه سرمازای جذبی لیتیوم برماید- آب دمای تبخیرکننده بایستی ما بین 5 تا 7 درجه سلسیوس بوده و دمای ژنراتور از 85 درجه سلسیوس کمتر نشود.
بعد از تعیین شرایط دمایی فوق و با توجه به وضعیت مطلوب ماده در چگالنده و یا تبخیر کننده فشار حداقل و فشار حداکثر سامانه استخراج میگردد.
در نهایت با استفاده از نمودار دورینگ 5 و در نظر داشتن شرایط فشار و دمایی موجود، میتوان چرخه سامانه و در نتیجه غلظت محلول در مسیرهای مختلف را مطابق شکل 1 تعیین کرد.
شکل -1 منحنی تعادل و خطوط دما و فشار چرخه
منحنی شکل 1 ، غلظت مورد نیاز محلول در سامانه را با توجه به محدوده دمایی موجود مشخص میکند. در این بین و به منظور ساده سازی طراحی، از سه فرض ذیل استفاده شده است.
· شرایط کارکرد سامانه پایا فرض میشود.
· از افت فشار در لولهها صرفنظر شده است.
· تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل ناچیز فرض شده است. پس از ین، آنچه در اختیار قراردارد شامل دما، فشار و غلظت محلول در هر نقطه است که با استفاده از این پارامترها انتالپی سیال در دسترس خواهد بود و با داشتن آنتالپی هر نقطه و مشخص بودن توان سرمایش مورد نیاز، دبی جرمی سیال و توان هر یک از اجزای سامانه مشخص شده و سامانه از لحاظ ترمودینامیکی طراحی شده است.
چرخه سامانه سرمازای جذبی مورد استفاده در خودرو که با محدودیتهای موجود در خودروی سواری تطبیق داده شده - سیکل ثانویه آب برای خنککاری چگالنده و جاذب حذف شده و خنککاری با هوا مدنظر قرار گرفته - را نمایش میدهد این چرخه مربوط به سامانه سرمازای جذبی با حذف چرخه خنککن جاذب و چگالنده بوده و برای استفاده در هر خودرویی مناسب است. جدول 1 شرایط ترمودینامیکی سیال در هر نقطه از چرخه را معرفی میکند.
شکل -2چرخه سامانه سرمازای جذبی منطبق بر شرایط خودرو
جدول -1معرفی شرایط ترمودینامیکی نقاط چرخه
ملاحظات موتور درونسوز
موتور بهعنوان اصلیترین عضو خودرو و منبع حرارتی سامانه سرمازا، مهمترین نقش را در طراحی حاضر به عهده دارد. دو فاکتور مهم مورد نظر موتور در این مقاله، تحلیل میزان انرژی گرمایی موجود در منیفولد دود موتور و تاثیر فشار پسزننده1 ایجاد شده ناشی از قرار گرفتن مبادلهکن حرارتی در منیفولد دود، بر عملکرد موتور خواهد بود.
