بخشی از مقاله
چکيده -
در این مقاله مقایسهای ميان دو چرخه سرمایش جذبی آمونياک-آب و آب-ليتيمبرماید انجام شده است. هدف از انجام این پژوهش ارائه مدلی برای دو چرخه مذکور بمنظور طراحی سامانهای برای بهرهگيری از انرژی خورشيد میباشد.
در این مقاله در ابتدا به اساس روش کار چرخههای سرمایش جذبی پرداخته شده، سپس نحوه عملکرد دو چرخه آمونياک-آب و آب-ليتيمبرماید بررسی شده است. سپس معادالت حالت موجود برای مدلسازی چرخههای مذکور بررسی شده و بهترین معادله حالت که با هر چرخه سازگار میباشد، انتخاب شده است. با معين شدن معادالت حالت، شبيه سازی چرخههای مذکور با استفاده از نرمافزار Aspen Plus نسخه 8.4 صورت پذیرفت. سپس با استفاده از موازنه انرژی،صحت شبيه سازیهای انجام شده به اثبات میرسد. و در نهایت ميزان صفحات خورشيدی مورد نياز برای سرمایش یک فضای مسکونی، بدست آورده شده است.
-1 مقدمه
-1-1 معرفی
بر اساس گزارش آژانس بينالمللی انرژی، مسئله تأمين و استفاده از انرژی بر اساس روشهای موجود از نظر اقتصادی و زیستمحيطی و اجتماعی ناپایدار است .]1[ بر اساس گزارش مؤسسه بينالمللی تبرید ، سيستمهای تهویه مطبوع و سرمایش، مصرف كننده حدود 15درصد از كل انژی الکتریکی توليدی در جهان میباشند .]2[ همچنين 45درصد از انرژی واحدهای مسکونی صرف سيستمهای تهویه مطبوع میشود
از طرفی حدود80درصد از انرژی الکتریکی توليدی در جهان از سوختهای فسيلی توليد میشود كه نقش بسزایی در انتشار گازهای گلخانهای ایفا میكند .]4[ این مسئله موجب میشود كه تا پایان قرن، دمای هوا در تابستان بين 2 تا 4 درجه سانتیگراد افزایش یابد
تقاضای روز افزون برای انرژی و افزایش مداوم هزینهها منجر به تحقيقات و توسعه بيشتر برای به كارگيری انرژیهای در دسترس شده است .با توجه به اینکه در اكثر روزهای سال منبع عظيمی از تابش خورشيدی - كه به عنوان انرژیهای تجدیدپذیر تلقی میشوند - ، در اغلب كشورهای توسعهیافته موجود میباشد، از طرفی باید به این نکته توجه داشت كه باالترین تابش خورشيد مصادف با دوره اوج نياز به سرمایش در طول تابستان میباشد. بنابراین فناوری گرمایش خورشيدی ابزاری مناسب و پایدار برای پاسخگویی به تقاضای روز افزون انرژی است
سيستمهای سرمایش جذبی امکان بهرهگيری از انرژی خورشيدی و تبدیل آن به سرمایش را فراهم میآورند. این سيستمها به دليل سازگاری با محيط زیست و استفاده از منابع ارزان انرژی مانند خورشيدی، زمينگرمایی و استفاده از انرژی اتالفی از منابع حرارتی، در سالهای اخير مورد استقبال قرار گرفته اند
از متداول ترین چرخههای سرمایش جذبی میتوان به آب-ليتيمبرماید و آمونياک-آب اشاره كرد. این دو جفت عملکرد ترمودیناميکی خوبی از خود نشان میدهند همچنين سازگار با محيط زیست هستند 11]،.[10 البته برای سامانههای خورشيدی، چرخه آب-ليتيمبرماید بدليل سادگی در طراحی و عملکرد و همچنين پائين بودن هزینهها در مقایسه با چرخه آمونياک-آب مناسبتر است.
-1-2 اسپن
Aspen مجموعهای از نرم افزارها، برای مدلسازی یک فرآیند میباشد. یکی از این برنامهها ASPEN Plus است كه امکان مدلسازی در حالت پایا را فراهم میآورد. به دليل دو مزیت موجود در اسپن، مدل سازی این چرخه سرمایش جذبی با استفاده از این نرمافزار انجام شده است. اوالً سيستمهای توليد شده در اسپن میتوانند به طور مستقيم در چرخه مدل یک نيروگاه با حرارت اتالفی قرار گيرد.
ثانياً اسپن دارای قابليت بهينه سازی میباشد كه در توليد طرحی با حداكثر صرفه جویی در انرژی مناسب خواهد بود
برای شبيه سازی این دو چرخه میتوان از برنامههایی نظير ABSIM ، كه توسط آزمایشگاه ملی اوک ریج توسعه یافته و EES كه در دانشگاه ویسکانسين توسعه یافته نيز استفاده نمود اما همانطور كه اشاره شد انتخاب اسپن به دليل دو ویژگی كه در نرمافزارهای فوق مشاهده نشد صورت گرفت
-2 اساس سرمایش
سيال عامل در سيستم سرمایش جذبی متشکل است از یک محلول دوگانه كه تركيبی از مبرد و جاذب میباشد. همانطور كه در شکل 1 مشاهده میكنيد، مخزن سمت چپ حاوی مایع مبرد میباشد، در حالی كه مخزن سمت راست محتوی محلول دوگانه مبرد و جاذب میباشد. محلول داخل مخزن سمت راست بخار مبرد موجود در مخزن سمت چپ را جذب میكند و همين امر باعث كاهش فشار در مخزن سمت چپ خواهد شد. هنگامی كه بخار مبرد در حال جذب شدن میباشد، در اثر تبخير، دمای مبرد باقی مانده كاهش مییابد. همين امر موجب میشود كه امر خنک سازی در مخزن سمت چپ رخ دهد. هم زمان با این امر محلول داخل مخزن سمت راست به علت جذب مبرد بيشتر، رقيق تر میشود. این فرآیند جذب ناميده میشود. گرما راه حلی معمول، برای این فرآیند جداسازی است بنابراین به منظور جدا سازی مبرد از جاذب گرما به مخزن سمت راست اعمال میشود.
شکل - a - 1 فرآیند جذب در مخذن سمت راست رخ میدهد - b - فرآیند جدایش مبرد در محفظه سمت راست صورت ميگيرد
-2-1 چرخه آمونياک-آب
در داخل مولد - generator - ، محلول آب-آمونياک جهت جدا سازی مبرد از جاذب به وسيلهی انرژی گرمایی، گرم میشود. به علت پایين بودن دمای جوش آمونياک، آمونياک بخار شده و از آب جدا میشود، اما مقداری آب نيز همراه با آمونياک از مولد خارج میشود، وجود آب همراه با مبرد باعث صدمه زدن به تجهيزات خواهد شد به همين علت بعد از مولد یک جدا كننده قرار میگيرد تا آب را از آمونياک جدا نماید.
آب جدا شده به مولد باز میگردد و آمونياک نيز به چگالنده منتقل میشود و با از دست دادن گرما و تغيير فاز به مبدلحرارتی انتقال مییابد تا باز هم مقداری از گرمای خود را به آمونياک خروجی از محفظهسرد بدهد. پس از آن در یک شير فشار شکن با كاهش فشار، دمای آمونياک كاهش مییابد، سپس آمونياک با دمای پایين جهت خنک سازی و جذب گرما وارد محفظهسرد میشود. بعد از محفظهسرد و قبل از ورود به محفظهجذب، آمونياک در مبدلحرارتی گرم میشود. در محفظهجذب آمونياک با آّب تركيب میشود و بعد از افزایش فشار در پمپ و پيشگرمایش در مبدلحرارتی بهوسيلهی آب خروجی از مولد، وارد مولد میشود.
-2-2 چرخه آب-ليتيم برماید
نحوهی عملکرد این سيستم بسيار شبيه به سيستم آب-آمونياک میباشد، وتنها تفاوت، فقط در فرآیند جداسازی میباشد. در این سيستم به علت جامد بودن جاذب و عدم تبخير سطحی و اختالف دمای تبخير، زیاد بين آب و ليتيمبرماید، نيازی به جدا كننده نيست. از محفظهجدایش - - Desorber، پس از گرم شدن محلول آب-ليتيمبروماید، بخار فوقگرم خارج میشود. برای اینکه بخار آب اشباع وارد كندانسور شود به همين علت از این بخار فوق گرم جهت پيش گرمایش محلول آب-ليتيمبروماید ورودی به محفظهجدایش استفاده میشود، از طرف دیگر محلول ورودی به محفظهجدایش باید در حالت مایع اشباع باشد از این رو از یک گرم كن جهت دستيابی به این حالت قبل از محفظهجدایش استفاده شده است.
-3 معادله حالت ترمودیناميک و شبيه سازی
برای شبيه سازی یک چرخه سرمایش جذبی خواص ترمو-فيزیکی سيال عامل نقش اساسی ایفا میكند.[16] برای محاسبه خواص ترمودیناميکی سيستم آمونياک-آب چندین معادله مختلف وجود دارد. Renon و همکاران توانستند معادلهای استخراج كنند كه میتواند به دقت خواص محلول آمونياک-آب را تخمين بزند .[17] معادله حالتRedlich -Kwong با دو پارامتر قابل تنظيم برای پيش بينی تعادل مایع-بخار مورد استفاده قرار گرفت. Patek و Klomfar برای پيش بينی خواص VLE پنج معادله ارائه دادند
Barhoumi و همکاران در طی تحقيقات خود گزارشی از بازنویسی رابطه خواص ترمودیناميکی محلول آمونياک-آب با استفاده از انرژی آزاد گيبس ارائه دادند.[19] رایجترین روشها برای مدلسازی خواص ترمودیناميکی سيال عامل، استفاده از معادالت حالت و ضریب فعاليت میباشد. از ميان این دو، معادله دوم برای بهتر نشان دادن خواص محلولهای بسيار غير ایدهآل در فشار پائين شناخته شد.[13] در روش ضریب فعاليت، معادله حالت - Redlich Kwong برای تمام خواص فاز بخار مورد استفاده قرار گرفته است و مدل دو مایع غير تصادفی - NRTL - برای خواص ویژگیهای محلول مایع مورد استفاه قرار گرفته است
-3-1 انتخاب معادله حالت ترمودیناميکی
انتخاب روش مناسب برای براورد خواص ترمودیناميکی سيال عامل یکی از مهم ترین مراحلی است كه میتواند شبيه سازی چرخه سرمایش جذبی را تحت تأثير قرار دهد. با توجه به تحقيقات صورت گرفته در این زمينه، بهترین معادله حالت برای پيشبينی خواص آمونياک-آب، معادله حالت Peng-Robinson میباشد
با توجه به شرایط عملکردی، برای محلول آب-ليتيم برمایدد، معادله حالت در نظر گرفتده شدده بدرای پيشبيندی خدواص ایدن محلول در نرمافزار اسپن ، معادله حالت ELECNRTL میباشدد. زیددرا شددرایط عمليدداتی و سددياالتی كدده بددا ایددن روش مدلسددازی میشددوند بددرای الکتروليتهددا طراحددی شدددهاند .[25] بددرای شبيهسازی محلول مورد نظر از ليتيم برماید و آب خالص استفاده شده است.
-3-2 فرآیند شبيهسازی چرخه آب-ليتيمبرماید
فرآیند مدل سازی در نرم افزار اسپن پالس وابسته به انتخاب صحيح بالکهای معادل برای هریک از تجهيزات اصلی برای ساخت یک مدل واقعی میباشد. مدل مورد استفاده برای پمپ و شير اختناق واضح است، بازده در نظر گرفته شده برای پمپ %100 میباشد، از طرفی پمپ روی ضریب عملکرد كل سيستم تاثير قابل توجهی ندارد. مدل در نظر گرفته شده برای محفظه سرد، محفظه جذب و چگالنده، ازنوع Heater میباشد، همچنين برای شبيه سازی مبدل حرارتی از دو Heater به طور همزمان استفاده شده است. برای مولد از یک Flash block و سه Heater به طور همزمان استفاده شده است.جدول 1 بيانگر نوع بالکهای مورد استفاده در نرم افزار و ورودی هر بالک میباشد.
جدول 1 اجزای چرخه آب-ليتيمبرماید بههمراه مدلها و مقادیر ورودی
-3-3 فرآیند شبيهسازی چرخه آمونياک-آب
فرآیند مدل سازی این سامانه بسيار شبيه به آب-ليتيم برماید میباشد، اما تفاوتهای اندكی در مدلسازی مولد وجود دارد. در این مدل از یک Flash block، یک Sep2 block و یک Mixer برای مولد استفاده شده است. جدول 2 بيانگر نوع بالکهای مورد استفاده در نرم افزار و ورودی هر بالک میباشد.
جدول 2 اجزای چرخه آمونياک-آب بههمراه مدلها و مقادیر ورودی
