بخشی از مقاله
مقايسه تجربي پديده متااستيبلي انواع لوله هاي موئين مستقيم ، مارپيچ در شرايط جريان آدياباتيک و دياباتيک
چکيده
در اين مطالعه نتايج حاصل از مقايسه تجربي جريان مبـرد 134a-R عبوري ازانواع لوله هاي موئين مستقيم و مارپيچ در شـرايط جريـان آدياباتيک و دياباتيک به منظور تحليل پديده متا اسـتيبلي ١ مقايسـه مي گردد. بدين منظور آزمايش هاي متعددي انجـام شـده اسـت تـا عوامل موثر بر شاخص متااستيبلي همچون درجه مادون سردي ، فشار ورودي، قطر و طول لوله مـوئين ، گـام و قطـر خـارجي حلقـه مـورد ارزيابي قرار گيرد. لوله هاي موئين به قطر ٠.٦٦-١.٤ مييلمتـر ، بـه طول ١.٥-٤.٥ متر،گام ٤٠ و٥٠ مييلمترو قطـر حلقـه ٤٠ الـي ١٠٠ ميليمتر، دماي چگالش ٣٣ الي ٥٠ درجه سانتيگراد، قطر خط مکـش ٤ مييلمتر، موردآزمايش قرارگرفته است . شار جرمي عبـوري از خـط مکش از صفر تا ٦٠٠٠ و از لوله موئين ٢٠٠٠-١٢٠٠ کيلو گرم برثانيه برمتر مربع متغير خواهد بود. از آنجاييکه فرآيند جريان مبرد عبـوري از لوله موئين فرايند فلاشينگ مي باشـد، کـه در آن حالـت مبـرد از مايع مادون سرد به مخلوط دو فاز مايع - بخـار تغييـر مـي يابـد، لـذا وقوع پديده متااستيبلي در جريان مبرد عبوري از لوله موئين کـه آن نيز همراه با فرايند فلاشينگ است ، قابل تامـل و تحقيـق مـي باشـد.
نتايج تجربي حاصله بيانگر وجود و وقوع پديده متااسيبلي درجريـان عبوري از لوله موئين مارپيچ دياباتيک ، مشـروط بـه انتقـال حـرارت ضعيف مابين اين دو ميباشد و نسب بحراني نيـز مـرز وجـود پديـده متااستيبلي است . ضمنا نتايج اين تحقيق بيـانگر ايـن اسـت کـه بـه مشابه شرايط آدياباتيک ، افـزايش فشـار ورودي، افـزايش طـول لولـه موئين و کاهش قطر داخلي لوله موئين سبب افزايش طـول منطقـه متااستيبل شرايط ديابا تيک خواهد شد.
واژه هاي کليدي
لوله موئين ، متااستيبلي ، دياباتيک ، نسبت بحراني
مقدمه
درسيستم هاي تبريد، لوله هاي موئين بعنوان وسـايل انبسـاط بکـار برده ميشوند و انتخاب صحيح آنها از ديدگاه هندسي مستلزم تحليل دانش مورد نياز روي جريان متااستيبل ميباشد که در خلال گـذار از حالت مايع به حالـت بخـار رخ ميدهـد. ايـن تغييـر فـاز "فلاشـينگ جريان " ناميده ميشود، در حاليکه اين فرآينـد بـه تنهـايي ناشـي از کاهش فشار سيستم رخ ميدهد. پيش از آنکـه تبخيـر شـدن شـروع گردد، به محض اينکه شرايط اشباع حاصل شـود، منطقـه اي وجـود دارد که مايع فوق داغ ميباشد و جريان متااستيبل ايجاد مي نمايد. به محض اينکه شرايط مناسب حاصل شود، کاهش فشار اضـافي سـبب فرايند جوشش خواهد شد. هيچ گونه تئـوري معتبـري کـه قـادر بـه پيش بيني دقيق شروع نقطه فلاشيينگ باشد، وجود ندارد [٦-١].
لوله هاي موئين داراي سطح مقطع ثابت بوده و قطر داخلي آنهـا ما بين ٠.٦ تا ٢ ميلي متر و طول آنها ١ الي ٦ متـر مـي باشـد. لولـه هاي موئين نوعي وسيله انبساط ارزان و ساده بوده که باعث مي شوند گشتاور راه اندازي کمپرسور در سيستم هـاي برودتـي بسـيار پـائين باشد. بر خلاف شکل ساده لوله هاي مـوئين ، رفتـار جريـان مبـرد در داخل آنها بسيار پيچيده بوده که باعث به وجود آمـدن پديـده هـاي پيچيده اي همچون پديده متااستيبلي مي گردد[٩-٧].
شکل ١: نماي شماتيک اجزاء اصلي سيکل تبريد و نمودار فشار- آنتالپي لوله موئين دياباتيک [١].
چندين مدل تئوريک و تجربي براي پيش بينـي عملکـرد لولـه هـاي ١ موئين پيشنهاد شده ، اما نتايج حاصله بعلـت اينکـه نـاتوان در پـيش بيني دقيق نقطه آغازين فرايند فلاشينگ ميباشند قابل اعتماد نبوده و همراه با خطا هستند.
لوله هاي موئين از ديدگاه هندسي به سه دسـته لولـه هـاي مـوئين مستقيم ، مارپيچ و حلزونـي و از ديـدگاه نـوع قرارگيـري بـه دو نـوع چيدمان هم مرکز و نوع جانبي (چسبيده به لوله مکـش جريـان ) و از ديدگاه شرايط جريان به دو دسته آدياباتيک و دياباتيک تقسـيم مـي شوند. همان طور که در شکل ١ ديده مي شود سيال کاري به شـکل دياباتيک از قسمت پر فشار به قسمت کم فشـار منبسـط مـي شـود، سيال ورودي به لوله ي موئين به صورت مـايع مـادون سـرد بـوده و درحالي که فشار سيال به علت افزايش اصطکاک ، کاهش مي يابـد و دماي مبرد عبوري از لوله موئين بعلت انتقال حرارت بـا خـط مکـش نيز کاهش مي يابد و به صورت مخلوط دو فازي از لوله موئين خارج مي گردد. فرايند ٤ به ٥، فرايند انبسـاط بـوده کـه دمـاي داغ مبـرد خروجي از چگالنده بواسطه تماس حرارتي با خط مکش سـرد، بطـور پيوسته کاهش مي يابد، در نتيجه انتالپي مبرد نيز در سراسـر طـول لوله موئين بطور پيوسته کاهش مي يابد. انتقال حرارت از لوله موئين به خط مکش کمپرسور سبب تاخير در نقطـه فلاشـينگ و افـزايش اثرات برودتي مي گردد. بعبارت ديگر، حين دريافـت حـرارت از لولـه موئين ، بخار سرد در خـط مکـش فـوق داغ مـي گـردد و در نتيجـه احتمال ورود مبرد در فاز مايع به کمپرسور قويا کاهش مي يابد.
پديده متااستيبلي ( ناپايداري حرارتي اندک)
وقتي مبرد در لوله موئين جريان مي يابد، از حالت مايع مادون سرد به مخلوط دوفازي مايع -بخار تبـديل ميگـردد و از آنجاييکـه فراينـد جريان مبرد عبوري از لوله موئين نيز فرايند فلاشينگ - فقط ناشي از کاهش فشار سيستم - مـي باشـد، لـذا وقـوع پديـده متااسـتيبلي در جريان مبـرد عبـوري از لولـه مـوئين کـه آن نيـز همـراه بـا فراينـد فلاشينگ اسـت محتمـل مـي باشـد کـه اصـطلاحا متااسـتيبلي يـا ناپايداري حرارتي جريان ناميده ميشود.
شکل ٢: توزيع فشار و دما در طول لوله موئين مستقيم دياباتيک [١].
٢ در اين پديده ، آغاز تبخير در موقعيت حالـت اشـباع ترمودينـاميکي آغاز نميگردد، بلکه در نقطه اي دورتر از نقطه اشـباع ترمودينـاميکي، آغاز خواهد شد، در نتيجه فرآيند تبخير به تاخير مي افتد. به همـين علت گاهي اوقات به پديده متااستيبلي، پديده تـاخير در تبخيـر نيـز گفته ميشود. يا بعبارت ديگر مقداري مايع فوق داغ داريم ، به محـض اينکه فشار مبرد به زير فشار اشباع متناظر با دماي اوليـه مـي رسـد، فرايند جوشش هسـته اي رخ ميدهـد. توزيـع دمـا و فشـار در لولـه موئين دياباتيک در شکل ٢ نشان داده شده است [١،٢،٤،٩]. درمنطقه تک فازي مايع ، تغييرات کاهش فشار اندازه گيري شده بعلـت وجـود اصحکاک خطي بوده و بطور مشـابه ، تغييـرات کـاهش فشـار اشـباع متناظر با دماي اندازه گيري شده در ايـن منطقـه نيـز بعلـت انتقـال حرارت با خط مکش نيز خطي است . همانطوريکه در شـکل ٢ ديـده ميشود، برخلاف حالت آدياباتيک که دماي مبرد مايع تا آستانه وقوع پديده متااسـيبلي در لولـه مـوئين ثابـت بـاقي مـي مانـد، در حالـت دياباتيک بعلت وجود انتقال حرارت با خط مکش ، دما ي مبرد بطـور پيوسته کاهش مـي يابـد و بـه مشـابه حـالات آدياباتيـک ، منطقـه متااستيبل به دو بخش متااستيبل مايع تک فاز و متااسيبل مايع -بخار دو فاز تقسيم ميگردد . ميـزان زيـر فشـار تبخيـر٢، انـدازه يـا معيـار ناپايداري (متااستيبلي ) ناميده ميشود که نقش بسيار مهمي در وقـوع اين پديده دارد که در نقطه فلاشينگ واقعي اثرات آن ديده ميشود.
شکل ٣: توزيع فشار اشباع و فشاراندازه گيري شده در لوله موئين مستقيم آدياباتيک [٩].
بطــور کلــي در صــورت وقــوع پديــده متااســتيبلي درلولــه مــوئين
آدياباتيک ، جريان عبوري ازآن به چهار منطقه تقسيم ميشود[٩و٨]:
• منطقه مادون سرد حاوي فاز مايع
• منطقه غير تعادلي حرارتي، حاوي فاز مايع
• منطقه غير تعالي حرارتي حاوي مايع -بخار دوفاز
• منطقه تعادل حرارتي حاوي مايع -بخار دوفاز
منطقه مادون سردي، دماي اندازه گيري شده مبرد تقريبا ثابت بوده و فشار اشباع متناظر آن نيز تقريبا ثابت است . هر چنـد فشـار انـدازه گيري شده بعلت افت فشار بطور خطـي کـاهش مـي يابـد. در نقطـه تلاقي a دو منحني فشار مذکور، فشار اندازه گيري شده معادل فشـار اشباع ميباشد، بنابراين مبـرد در حالـت اشـباع اسـت . بوضـوع ديـده ميشود که تبخير مبرد در اين نقطه رخ نداده است . پس از اين نقطه در منطقه ٢، هردو فشار اشباع و فشار اندازه گيـري رونـد کاهشـي خود را تارسيدن به مقطـع bb' ادامـه ميدهنـد. در نقطـه b، فشـار اشباع ناگهان کاهش مي يابد و سـبب انحنـاي تنـد در ايـن نقطـه از منحني مي گردد. افت ناگهاني فشار در اين نقطه ناشي از افت دمـاي اشباع متناظر آن است که بوسيله تبخير مبرد با جذب گرماي نهـان تبخير در اين نقطه ايجاد ميشود. پس از نقطه c در ايـن منطقـه ، دو منحني فشار اشباع و اندازه گيري شده مجددا بـاهم تلاقـي ميکننـد.
بعبارت ديگر، فشار اشباع و فشار انـدازه گيـري شـده در ايـن نقطـه مساوي هستند. اين بدين معني است که زير فشار تبخير، که اختلاف فشار اندازه گيري شده در نقاط a و 'b تعريف ميشود(Ps-Pv)، بـه عنوان مشخصه اي کمي عدم تعادل حرارتـي يـا متااسـيبلي جريـان عبوري از لوله موئين نبز ميباشد. در شرايط جريان دياباتيک ، امکـان انتقال حرارت مابين خط مکش و لوله موئين وجـود دارد در حاليکـه در تمامي لوله هاي موئين آدياباتيک چنين شرايط انتقـال حـرارت از لوله موئين وجود ندارد[١٣-٧].
تحقيقات تجربي پيشـين محققـين در زمينـه متااسـيبلي (عـدم تعادل ترموديناميکي)، مويد وجود اين پديـده در لولـه هـاي مـوئين آدياباتيک ميباشد در حاليکه وجود پديده متا استيبلي در لولـه هـاي موئين دياباتيک محتمل است ، که متاثر از ميزان انتقـال حـرارت مـا بين خط مکش و لوله موئين ميباشد. تحقيقات عددي و تجربي چن ٣ و همکارانش روي لوله هاي موئين مسـتقيم دياباتيـک نشـان دادکـه کاهش دبي جرمي مبرد در خط مکش در حالت ثابـت مانـدن دبـي جرمي مبرد در لوله موئين ، سبب کـاهش انتقـال حـرارت و افـزايش احتمال وقوع متااستبلي خواهد شد. بعبارت ديگر وقتي انتقال حرارت مابين خط مکش و لوله موئين مستقيم ضعيف باشـد ايـن پديـده در شرايط دياباتيک وجود خواهد داشت ، بنـابراين نسـبت دبـي جرمـي عبـوري از بـه خـط مکـش (نسـبت بحرانـي ) شـاخص وقـوع پديـده متااستيبلي است .
وقتي اين نسبت دبي کمتر از نسبت بحراني باشد انتقال حـرارت از نوع قوي بوده و بخش عمده لولـه مـوئين مـايع اسـت و تغييـرات کاهش فشار اندازه گيري شده خطي است و محل تلاقـي منحنـي فشار اشباع و منحني فشار اندازه گيري شده نيزتقريبا در انتها لولـه موئين خواهد بود. تغييرات کاهش فشـار اشـباع متنـاظر بـا دمـاي اشباع در ابتداي لوله ، بعلت انتقال حرارت قوي، بسيار شديد اسـت و از لحاظ تجربي متااستيبلي در انتهاي لوله موئين نيز مشاهد نخواهـد
شد.
در اغلب مطالعات و شبيه سـازي هـاي عـددي، بعلـت پيچيـده گـي جريان در منطقه متااستيبلي از اثرات اين پديده چشم پوشي ميگردد يا اينکه منطقه ٢ و ٣ متااستيبل ادغام ميشود. والدارس ٤ در شـبيه سازي عددي ميـزان Pv را تقريبـا ٠.٩٣ فشـار اشـباع (Ps) فـرض نموده و عـلاوه بـر بکـارگيري کميـت بـي بعـدکيفيت بخـار در ايـن مدلسازي، از کميت بي بعد ديگري بنام y که همان نسبت کل جـرم فاز اشباع به جرم کل فازها است ، نيز استفاده نموده است (منطقه ٣).
وقتي مقدار y به سمت يک ميل مي کند مـايع فـوق داغ محـو مـي گردد جريان مبرد از حالت دوفاز غير تعادلي به حالت دوفـاز تعـادلي وارد ميشود[١٣-١٠].
نتايج حاصله از تحقيقات قبلي، بيانگر اين است که دبي جرمـي مبرد عبوري، شـديدا روي نقطـه آغـازين تبخيـر تـاثير گـذار اسـت ، بنابراين تعيين طول مايع متااستيبل در انواع لوله هاي موئين بسـيار حائز اهميت بوده که از موضوعات مهـم تحقيقـاتي محققـين در ايـن زمينه بوده است . مرور مقالات مرتبط بيـانگر ايـن اسـت کـه بررسـي اثرات پديده ناپايداري حرارتي در جريان داخل عبوري از انـواع لولـه موئين بسيار اندک بـوده ، و اغلـب آنهـا نيـز روي لولـه هـاي مـوئين مستقيم و آدياباتيک ميباشد. که به مرور بعضي از آنهـا در ذيـل مـي پردازيم :
چن و همکارانش پيشـتاز در زمينـه تحقيقـات کمـي سـازي پديـده ناپايداري حرارتي بودند[٩]. آنها پارامتر هاي موثر در وقـوع پديـده متااستيبلي در لوله موئين مسـتقيم آدياباتيـک و دياباتيـک بـه روش عددي و تجربي مورد بررسي قرار دادنـد و دريافتنـد زمـاني جريـان متااستيبل وجود خواهد داشت که انتقال حرارت مابين لوله مـوئين و خط مکش ضعيف باشد. ضمنا روابطي براي پـيش بينـي زيـر فشـار تبخير و در نتيجه تعيين طول ناپايداري حرارتي را پيشنهاد نمودنـد.
آنها همچنين در يافتند که نسبت بحراني( نسبت دبي جرمـي مبـرد عبوري از لوله موئين به خط مکش ) شا خص وقوع متااستيبلي است .
با افزايش نسبت بحراني ميزان انتقال مابين لوله موئين و خط مکش کاهش مي يابد و ازنوع ضعيف خواهد بـود. والـدارس [١٣-١٠]شـبيه سازي عددي لوله هاي موئين مستقيم دياباتيک را انجـام داده اسـت .
ايشان مدلسازي عددي يک بعدي حالت پايدار و گذرا جريـان مبـرد Ra١٣٤ عبوري از لوله موئين مستقيم را با در نظـر گـرفتن جريـان متااستيبلي به روش حجم محدود ضمني را ارائه نمودنـد. مدلسـازي عددي با استفاده از مدل جريان دوفاز همگن ومدل دوفـازي جريـان مجزا انجام گرفت و نتايج حاصله را با نتايج تجربي مقايسه نمودند. در حالت دياباتيک از مجموعه لوله موئين -خط مکش هم محور وجـانبي استفاده شده است . هوارتا٥ و همکارانش [١٤] جريان متااستيبل را در داخل لوله هاي موئين مستقيم آدياباتيک بر اي مبرد خالص و مبـرد حاوي روغن را بروش تجربي مورد مطالعه قراردادند. آنهـا لولـه هـاي مــوئين بــه قطــر ٠.٦٨ و ٠.٨٢ ميليمتــر، دمــاي چگــالش ٤٠ و ٥٠ سانتيگراد و ميزان مادون سردي ٣-١٢ درجه سانتيگراد با مبـرد -R a١٣٤ مورد آزمايش قراردادند، و دريافتند که دبـي جرمـي و ميـزان مادون سردي مبرد دو پارامتر بسيار مهمي ميباشند کـه روي ميـزان زير فشار تبخير تاثير گذار هستند. گوبينگ ٦ [١٦-١٥]و همکارانش عملکرد جريان مبرد22-R عبوري از لوله موئين مستقيم و مارپيچ را بروش عددي و تجربي بررسي نمـوده است . در مدلسازي لوله موئين مستقيم از مدل همگن جريان دوفاز و سه مدل ضريب اصحکاکي استفاده نمودند. آنها دريافتند دبي جرمـي عبوري از لوله موئين مـارپيچ بـا افـزايش قطـر حلقـه تـا قطـر ٣٠٠ ميليمتر افزايش مي يابد و دبي جرمي مبرد در لولـه مـوئين بـا قطـر حلقه ٤٠ ميليمتر تقريبا ١٠ درصـد کمتـر از لولـه مـوئين مسـتقيم است .
همانطوريکه از مرور مطالعات پيشين پيداست ، تحقيقات تحليلي، تجربي و عددي بسيار اندکي در زمينه بررسي پديـده متااسـتيبلي در لوله هاي موئين مستقيم و مارپيچ انجام شـده اسـت و تـاکنون هـيچ تحقيق تجربي يا عـددي مبنـي بـر چگـونگي جريـان عبـوري مبـرد R134a از "لوله مـوئين مـارپيچ دياباتيـک " گـزارش نشـده اسـت .
بنابراين در اين تحقيق قصد داريم پارامترهاي موثر بر وقـوع و طـول متااستيبلي لوله هاي مـوئين مسـتقيم و مـارپيچ در شـرايط جريـان آدياباتيک و دياباتيک را مورد مقايسه قرار دهيم .
شرح دستگاه آزمايش و روش آزمون
دياگرام شماتيک دستگاه آزمايش در شکل ٤ نشان داده شـده اسـت .
اين دستگاه به گونه اي طراحي شده است که با باز و بسته کـردن دو شير مختلف ، امکان آزمون در هـر دو حالـت آدياباتيـک و دياباتيـک ميسر مي باشد. بعبارت ديگر اين طرح ، سيستم تبريـد واقعـي بـراي تامين مبرد در لوله موئين را فراهم ميسازد، بنابراين هر سه نوع لولـه موئين مستقيم ، حلزوني و مـارپيچ بـا شـرايط مـرزي و دبـي جرمـي گوناگون ، امکان بکار گيري در اين
