بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مدلسازی و ارزیابی سیستم سرمایش اجکتوری– تراکمی خورشیدی
چکیده
در این مقاله به بررسی سیستم سرمایش ترکیبی اجکتوری- تراکمی خورشیدی پرداخته شده است. در کار حاضر با استفاده از مدلسازی سیستم های سرمایش اجکتوری و تراکم بخار توسط روابط ترمودینامیکی و حل آن توسط نرم افزار EES، استفاده از سیستم فوق با مبرد R600 در شهر دزفول در فصل گرم تابستان از لحاظ اقتصادی و ترمودینامیکی بررسی شده است . در همین راستا برای هزینه های اولیه سیستم خورشیدی و جاری ناشی از مصرف انرژی الکتریکی و فسیلی تخمین هایی زده شده است. نتایج حاصل نیز در جداول ۱و ۲ ارایه شده اند. همانطور که در جدول ۲ دیده می شود استفاده از این سیستم در یک ساختمان اداری کوچک یا یک مجتمع مسکونی با بار سرمایی حدود ۱۱ تن تبرید (kW۴۰)، مقرون بصرفه است و پس از گذشت حدود ۹ سال هزینه اولیه سیستم جبران میشود.
کلمات کلیدی: اجکتور، مدل سازی، سیستم خورشیدی، سیکل ترکیبی،دی،
مقدمه
فراهم آوردن دمای آسایش در فصول گرم امری ضروری در زندگی مدرن امروزی است، و مسایل تهویه مطبوع مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته گرفته است. از طرفی سیستم های سرمایشی متداول که از سیکل تراکم بخار استفاده می کنند باعث مصرف زیاد توان الکتریکی می شوند. در نتیجه مصرف سوخت های فسیلی افزایش یافته و پدیده گرمایش جهانی تشدید می گردد [۱]. از طرف دیگر هزینه مصرفی نیز افزایش می یابد. بنا به دلایل فوق مطالعه و بررسی سیستم سرمایش اجکتوری مورد توجه قرار گرفته است. سیکل سرمایش اجکتوری هم با انرژی بازیافتی که از هدر رفت حرارت سیستم های دیگر قابل دستیابی است، کار می کند که موجب صرفه جویی و کاهش هزینه شده، و هم می تواند با انرژی خورشیدی کار کند که علاوه بر کاهش هزینه، به کاهش آلودگی هوا و پدیده گرمایش جهانی کمک می نماید. در این سیستم،قسمت متحرک (به جزء یک پمپ) موجود نیست لذا بی نیاز از روغنکاری می باشد، دارای عمر طولانی و قابلیت اعتماد زیادی است و هزینه تعمیر و نگهداری آن در مقایسه با سیکل های تبرید تراکمی کم است. در دهه ۱۹۳۰ مبردهای فریونی توسعه یافتند و از طرفی پمپ های حرارتی تراکم بخار که بر اساس این نوع مبردها عمل می کردند، از لحاظ کارایی نسبت به سیستمهای اجکتوری برتر بودند. بهمین دلایل سیستم های تهویه مطبوع اجکتوری بمدت حدود ۵۰ سال محبوبیت خودشان را از دست دادند، تا اینکه پروتکل مونترال در سال ۱۹۸۷، دستور کاهش استفاده از گازهای فریون را به دلیل مضر بودن برای لایه اوزن صادر کرد[۲]. اما از طرفی با توجه به بحران های اقتصادی اخیر و نگرانی از آلودگی های زیست محیطی و از طرف دیگر پایین بودن راندمان سیستم اجکتوری و گران بودن کلکتورهای خورشیدی ضرورت بررسی ترکیبی از سیستم های سرمایش تراکم بخار و اجکتوری خورشیدی را برجسته می کند. در سال ۱۹۸۹، سوکولو و هرشگال یک سیکل ترکیبی از سیستم سرمایش اجکتوری و سیستم متداول تبرید تراکمی را ارائه کرد. از یک طرف کاربرد سیکل اجکتوری وسعت پیدا می کند و بازدهی آن بالا می رود، از طرف دیگر مصرف انرژی الکتریکی در سیکل تبرید تراکمی متداول کاهش می یابد؛ و در سال ۱۹۹۵ با ارزیابی سیکل ترکیبی فوق نشان داد که بهبود قابل توجهی در کارایی کلی سیستم حاصل شده است [۱]. در سال ۱۹۹۶، سان و همکاران یک مطالعه تئوری بر ترکیب سیستم اجکتوری با سیکل جذبی انجام دادند که از مخلوط بعنوان سیال عامل استفاده کردند. نتیجه این بررسی بهبود ۲۰ تا ۴۰ درصدی COP این سیکل نسبت به سیکل جذبی متداول را نشان میداد. در سال ۱۹۹۴، سان، در مورد سیستم ترکیبی اجکتوری و تراکمی بصورت تئوری تحقیق کرد و در این سیستم از مبردهای مختلف برای هر دو زیرمجموعه سیستم های ترکیبی استفاده نمود. آب را برای سیکل
اجکتوری و R154a را برای سیکل تراکمی بکار برد. نگوین و همکارانش (۲۰۰۱) سیستمی را که بطور کامل با انرژی خورشیدی تغذیه میشد را بررسی کردند و بجای پمپ از نیروی ثقلی برای انتقال مایع از کندانسور تا بویلر استفاده بردند. در نهایت ادعا کردند که سیستم آنها نیاز به حداقل نگهداری دارد و دارای عمر طولانی است. در سال ۲۰۰۱، هوانگ و همکارانش یک سیستم ترکیبی اجکتوری - تراکمی برای کاربردهای تهویه مطبوع طراحی و ارزیابی نمود و در هر دو قسمت این سیستم R141b را بعنوان سیال عامل قرار داد. این بررسی افزایش COP سیکل را نسبت به سیکل اجکتوری ساده حدود ۱۸٪ نشان داد. در سال ۲۰۰۴ أربل و سوکولو یک مدل تئوری سیکل ترکیبی با محرک خورشیدی و مبرد R142b را ارائه کردند [۱]. در سال ۲۰۰۵، جايا و همکارانش مقایسهای تئوری بین مبردهای R134a و R124 و R32 در سیستم ترکیبی اجکتوری - تراکمی برای دمای اواپراتور ۵ درجه سانتیگراد تا ۱۵ درجه سانتیگراد انجام دادند و نتیجه COP بهتری برای R32 نشان می داد. با این حال اشکال R32 این بود که نیاز به ژنراتور با فشار بالا و نسبت جریان در گردش بالایی داشت بنابراین آنها R134a را برای کاربردهای با منبع حرارتی کم حرارت ترجیح دادند. در سال ۲۰۰۷ الاهره و همکارانش، سیکل اجکتوری تراکمی را در مقیاس خانگی مورد ارزیابی قرار دادند و شبیه سازی سیکل را در نرم افزار فورترن انجام دادند. آنها رفتار سیستم را با مبردهای مختلف (R123 , R124 , R141b , R290 , R152a) مدل کرده و بهترین نتیجه را برای R141b بدست آورند. در این سیستم ترکیبی، اجکتور و کمپرسور بصورت سری قرار گرفته و خروجی اجکتور مستقیما وارد کمپرسور می شود. آنها دریافتند که بین COP و کاهش دمای اواپراتور دوم ، نسبت عکس وجود دارد. در سال ۲۰۱۰ پترنکو و همکارانش سیستم تبرید با ترکیبی را با مبردهای مختلف بصورت همزمان، بدین صورت که 744 Rرا برای سیستم تبرید تراکمی و R600 (بوتان) را برای سیکل اجکتوری بکار بردند. برای مدل سازی از مدل یک بعدی که با نتایج آزمایشگاهی مطابقت داشت استفاده کردند. سیکل تبرید تراکمی را با کمپرسوری با بازده آیزنتروپیک ۶۷/ . مدل کردند. سیکل تبرید اجکتوری را برای ظرفیت برودتی ۱۰ کیلووات بررسی کردند و به COP معادل 1/4تحت شرایط طراحی رسیدند؛ دو سیال مورد استفاده طبق معیارهای محیط زیست انتخاب شده بودند. در همین سال ویدال و کول مدلی با بهینه سازی حرارتی و اقتصادی از سیستم تبرید تراکمی و اجکتوری ارائه داد که از R134a در سیکل تراكم بخار و R141b برای سیکل تبرید اجکتوری استفاده می شد. این سیستم ترکیبی از کلکتورهای صفحه تخت خورشیدی بمنظور استفاده از انرژی خورشیدی بعنوان محرک سیستم بهره می برد. محقق در مورد اهمیت انتخاب بجا و مناسب تجهیزات بطوری که دوره برگشت هزینه کمتر گردد، بحث کرده است. سیستم بهینه پیشنهادی آنها ظرفیت برودتی معادل 10کیلووات داشت، این سیستم برای کاربرد تهویه مطبوع طراحی شده بود. در کار حاضر با استفاده از مبرد سازگار با محیط زیست R600 برای هر دو سیکل و انتخاب حداکثر بار برودتی بهینه از نظر ترمودینامیکی و اقتصادی سیستم ترکیبی خورشیدی با گرمکن کمکی گازی بررسی شده و از رابطهی کمکی حاصل از ترکیب دو مدل ارایه شده برای اجکتور با مبرد R600 در مدل سازی سیستم فوق استفاده گردیده است. با توجه به رو به افزایش بودن هزینه های سوخت های فسیلی و الکتریکی و از آنجایی که در شهر دزفول وضعيت تابش مناسبی در تابستان وجود دارد، استفاده از سیستم فوق در این شهر ارزیابی می شود.
سیکل تبرید اجکتوری ساده
در این سیکل، بویلر، اجکتور و پمپ، به جای کمپرسور در سیکل های تراکمی بخار، استفاده شده است [۳]. قسمت های اصلی سیکل اجکتوری عبارتند از دیگ بخار یا بویلر ( ژنراتور) ، اجکتور، کندانسور، اواپراتور، شیر انبساط و پمپ مایع. سیکل دارای دو حلقه است: ۱- حلقه ۱-۲-۳-۴-۱ که حلقه توان است،
۲- حلقه ۳-۳-۵-۶-۲ که حلقه سرمایش نام دارد [۴]
بخار اولیه (اصلی) در فشار و دمای بالا از خروجی دیگ بخار (ژنراتور) وارد نازل مافوق صوت اجکتور می شود. سرعت بسیار زیاد بخار در خروجی این نازل اولیه، باعث کاهش فشار شده و مکش شدیدی در ورودی محفظه اختلاط ایجاد می کند و بخار ثانویه را از اواپراتور به داخل محفظه اختلاط می کشاند. دو جریان ابتدا در محفظه اختلاط مخلوط شده و سپس فشار جریان مخلوط در دیفیوزر انتهای اجکتور، تا فشار کندانسور افزایش می یابد. سپس به کندانسور وارد شود و در آنجا به مایع تبدیل شده و حرارت را به محیط می دهد. یک بخش از مایع مبرد خروجی از کندانسور پس از عبور از شیر انبساط وارد اواپراتور شده و بخش دیگر به سمت پمپ جریان می یابد. فشار مایع در پمپ تا فشار ژنراتور افزایش یافته و وارد آن می گردد، تا در آنجا دوباره تبخیر شود [۵].
عملکرد سیکل تبرید اجکتوری معمولا بوسیله COP، بیان می شود، که نسبت اثر سرمایی تولید شده در اواپراتور به انرژی دمایی ورودی به سیکل اجکتوری است، به هر حال در واقع معمولا از یک پمپ تغذیه مکانیکی در سیکل استفاده می شود که نیاز به مقدار توان مکانیکی Wmech ورودی دارد. اغلب شرایط عملکردی بویلر، اواپراتور و کندانسور سیکل تبرید اجکتوری به ترتیب توسط منبع حرارتی، هدف از خنک سازی و آب و هوای محلی تعریف می شوند [۶].در ژنراتور گرمای وارد سیکل شده و سبب افزایش آنتالپی سیال عامل می گردد. و در اواپراتور گرمای از فضای تهویه مطبوع گرفته شده و عمل خنک سازی انجام می شود. ورودی مورد نیاز برای پمپ معمولا کمتر از ۱٪ درصد گرمای داده شده به بویلر است. بنابراین COP واقعی بصورت زیر داده میشود [۷] :
سیستم تبريد اجکتوری خورشیدی
مدت هاست که یک سیستم سرمایشی خورشیدی که انرژی گرمایی خورشید را به اثر سرمایش تبدیل کند مورد توجه دانشمندان و مهندسان قرار دارد [۸]
یکی از مشخصه های سیستم تبريد اجکتوری، امکان استفاده از انرژی حرارتی دما پایین در آن است. انرژی خورشیدی رایگان بدست آمده از کلکتور خورشیدی از نظر کمی و کیفی برای تولید سیال محرک برای سیستم تبرید اجکتوری کفایت می کند. بهرحال، طبق مشخصه های یک اجکتور و هزینه سرمایه گذاری اولیه، سیستم تبريد اجکتوری خورشیدی برای کاربر های تهویه مطبوع نسبت به سایر کاربردهای تبرید، مناسب تر است. سیستم تهویه مطبوع اجکتوری خورشیدی، با در دسترس بودن منبع انرژی مورد نیاز می تواند افزایش بار برودتی ایجاد شده توسط تابش شدیدتر خورشید را تأمین کند[۶]
تاکنون، مدل ۷ کیلوواتی در ساختمان اداره ای در انگلیس نصب و امتحان شده است [۹]. در حالی که نقشه ساختار دستگاه ۱۳ کیلوواتی برای سیستم تهویه مطبوع بیمارستان در مرجع [۱۰] تهیه گشته است. یک سیستم سرمایش اجکتوری خورشیدی شامل دو زیر مجموعه است، یکی سیستم تبرید رایج و دیگری سیستم خورشیدی است (شکل ۲) [۱۱] از کلکتورهای خورشیدی برای جذب انرژی گرمایی خورشید استفاده شده، سپس این گرما برای شروع وظیفه سیستم سرمایشی و تولید اثر برودتی در سیستم هایی با محرک گرمایی، مصرف می شود [۸]۔
بازده کلی سیکل تبرید اجکتوری خورشیدی (SECS) از حاصلضرب دو بازده فوق بدست می آید [۶]
در نتیجه باید یک دمای ژنراتور بهینه متناظر با حداکثر، انتخاب شود.
سیستم تبرید ترکیبی اجکتوری - تراکمی
و با وجود پیشرفت های اخیر در درک عملکرد اجکتور، COP یک سیستم تبرید اجکتوری ساده نسبتا پایین باقی مانده است. به عنوان یک نتیجه، بسیاری از محققان سیستم های خنک کننده ترکیبی را پیشنهاد کرده اند که از ترکیب اجکتورها و یک سیستم خنک کننده دیگر است.
کارایی سیکل تبرید اجکتوری به نسبت مکش و فشار بحرانی کندانسور بستگی دارد. تنها راه برای افزایش همزمان جریان ثانویه و فشار خروجی اجکتوره بالابردن فشار جریان ثانویه است که متأسفانه برای سیکل اجکتوری رایج، افزایش دمای اواپراتور (تأثير برودتی ضروری می شود. در سال ۱۹۹۰، سوکولو [۱۲] طرح جدید استفاده بهینه از توان مکانیکی برای افزایش فشار ثانویه بدون تغییر دمای مبرد را معرفی کرد که شامل: ۱) سیکل اجکتوری با بوستر کمکی (شکل 1) و ۲) سیکل ترکیبی اجکتوری – تراكم بخار شکل ۴ ب) می باشد. نتایج شبیه سازی آنها نشان می دهد که بالابردن تراکم سیکل می تواند به طور قابل ملاحظه ای کارایی را بهبود بخشد. باید توجه نمود که توان مورد نیاز برای بوستر بسیار بزرگتر از توان مورد نیاز پمپ چرخشی است و نمی توان در محاسبه کارایی سیستم ، آن را نادیده گرفت [۶]۔
سیکل اجکتوری با بوستر به سیکل اجکتوری رایج ، بسیار شبیه است. این کمپرسور مکانیکی با نسبت فشار پایین (بوستر)، در محلی بین خروجی اواپراتور وخط مکش اجکتور قرار می گیرد. بنابراین اجکتور می تواند مکش بیشتری را احساس کند که باعث افزایش کارایی آن می گردد [۶].
مدل سازی سیستم ترکیبی اجکتوری - تراکمی
در این قسمت بر مبنای معادلات پیوستگی و بقای انرژی، به بیان معادلات حاکم بر سی کل پیشنهادی توسط سوکولو [۱۲] پرداخته می شود شكل ۵). این سیستم از دو زیرسیستم اجکتوری و تراکم مکانیکی کمپرسوری) تشکیل شده است. کاهش کار مورد نیاز کمپرسور و نیز بالا بردن کارایی زیر سیستم اجکتوری از طریق افزایش دمای اواپراتور، از عمده اهداف این سیستم می باشد. دردر این سیستم، کندانسور زیر سیستم تراکم مکانیکی توسط اواپراتور زیر سیستم اجکتوری در قسمتی به نام خنک کن میانی که یک مبدل حرارتی است، خنک می شود. در خنک کن میانی هیچ اختلاطی صورت نمی۔ گیرد و فشار جریان های ورودی و خروجی یکسان و ثابت است.
