بررسی سیکل سه مرحله‌ای هوا خنک- آمونیاک – بخش اول

مرکز درمانی ارزشمند، سبز، دیجیتال – بخش دوم
تیر ۲۵, ۱۳۹۷
بررسی سیکل سه مرحله‌ای هوا خنک- آمونیاک – بخش دوم
مرداد ۳, ۱۳۹۷

بررسی سیکل سه مرحله‌ای هوا خنک- آمونیاک – بخش اول

ماخذ: نشریه تهویه و تبرید – خرداد ۱۳۸۳

…………

توسعه سیکل‌های جذبی هوا خنک که برای کاربردهای خانگی بسیار مناسب است، همچنان وضعیت نامعلومی دارد. این مقاله یک سیکل سه مرحله‌ای آب- آمونیاک را که به سیکل کانگورو نیز معروف است امتحان می‌کند و محدودیت‌های آن را وقتی‌که به‌صورت هوا خنک و برای تهویه فضاهای مسکونی مورد استفاده قرار می‌گیرد، بررسی می‌کند. فرایندهای این سیکل جذبی سه مرحله‌ای، مدل شده و همچنین روش بهینه‌سازی طراحی نیز بیان شده است. اندازه نسبی مبدل‌های حرارتی و نحوه ترتیب آن‌ها که در واقع به‌عنوان یک کوپلینگ حرارتی بین حلقه بالا و پایین عمل می‌کنند، مورد مطالعه قرار گرفته است. این اتصال حرارتی شامل کندانسور، جاذب و رکتیفایر حلقه بالایی است که حرارت را به ژنراتور حلقه پایین تخلیه می‌کنند. همچنین سه نوع شکل‌بندی برای مبدل‌های حرارتی که حلقه بالا را به ژنراتور پایینی متصل می‌کنند تجزیه و تحلیل شده، سایز نسبی آن‌ها نیز بهینه گردید. علاوه بر این نشان داده شد که عملکرد سیکل به دمای خروجی ژنراتور حلقه پایین بستگی دارد و روش‌های بهبود cop سیستم نیز شرح داده شد. بررسی عملکرد سیستم با توجه به سایر متغیرهای آن در شرایطی که هوای محیط خنک می‌شود نیز در انتها مورد بحث قرار گرفته است.

آشنایی

با وجود اینکه سیکل‌های جذبی تاریخچه صد سال دارند، اما تجارت تجهیزات جذبی سهم بسیار کمی نسبت به سیکل‌های تراکمی بخار دارند که عمده دلیل آن پیشرفت‌های کمتر فناوری نسبت به سیستم‌های تراکمی است بخصوص در نوع هوا خنک یا کاربردهای کوچک تجاری و سردکن فضاهای مسکونی. سیکل‌های تراکمی بخار برای به کار انداختن کمپرسور و افزایش فشار مبرد نیاز به جریان الکتریسیته دارد. سیکل‌های جذبی همان وظیفه را به وسیله جذب مبرد در مایع، پمپاژ مخلوط مایع با چگالی و فشار بالا و سپس جداسازی مبرد به‌وسیله حرارت دادن انجام می‌دهد. این سیال با چگالی بالا، باعث کاهش توان الکتریکی لازم برای کار سیستم می‌شود و نیاز به احداث نیروگاه‌های برق برای پاسخگویی به بار الکتریکی دستگاه‌های تهویه مطبوع در تابستان نیز کمتر خواهد شد. مبرد سیستم‌های جذبی سازگاری بیشتری نسبت به مبردهای سیکل تراکمی بخار با محیط دارند. در دهه گذشته پذیرفته شد که مبردهای ترکیبی سیستم‌های تراکمی می‌توانند اثرات زیانباری روی محیط‌زیست داشته باشند. از سال ۱۹۹۵ این مبردها با مبردهایی که تصور می‌شد سازگاری بیشتری با محیط دارند جایگزین شدند. علاوه بر این، وقتی‌که سیستم‌های تراکمی به‌عنوان سیستم‌های با راندمان بالاتر از نوع جذبی در نظر گرفته می‌شود، برآوردی از تمام فرایندها لازم است انجام شود تا بتوان راندمان کل دو سیستم را با هم مقایسه کرد. Cop یا ضریب عملکرد دستگاه‌های تهویه مطبوع تراکمی به‌عنوان مقدار حرارتی ر نظر گرفته می‌شود که اواپراتور به سیستم اضافه می‌کند تقسیم بر مقدار انرژی الکتریکی که به کمپرسور داده می‌شود؛ اما مقدار سوخت لازم برای تولید این انرژی الکتریکی که توسط کمپرسور مصرف شده است، در نظر گرفته نمی‌شود. وقتی‌که راندمان نیروگاه و سیستم‌های انتقال قدرت نیز به حساب آید آن‌وقت مقایسه بهتری خواهیم داشت. در حال ضرب ضریب عملکرد سیستم‌های تراکمی بخار که به‌صورت هوا خنک کار می‌کنند بین ۳ تا ۴ است و cop تجهیزات جذبی بین ۱ تا ۳/۱. این انرژی به‌طور معمول از سوختن گاز طبیعی بدست می‌آید. در کاربردهای تهویه مطبوع چاه حرارتی به‌وسیله آب سردی که از برج خنک‌کن برمی‌گردد یا به‌وسیله هوای خارج ایجاد می‌شود. در اوج بار سرمایی، دمای طراحی‌شده چاه حرارتی درصورتی‌که از سیستم برج خنک‌کن استفاده شود معمولاً ۳۰ درجه سانتی‌گراد است که با توجه به دمای مرطوب هوای خارج ۲۵ درجه سانتی‌گراد و دمای خشک هوا در یک روز تابستانی که معمولاً ۳۵ درجه سانتی‌گراد است، در نظر گرفته می‌شود. برج‌های خنک‌کننده اندازه سیستم را افزایش می‌دهند و هزینه نگهداری آن‌ها نیز بالا است و حفظ کیفیت آب را از اهمیت خاصی برخوردار است. این عوامل باعث می‌شود تا برج‌های خنک‌کننده برای کاربردهای کوچک تجاری و مسکونی مناسب نباشد؛ اما چاه حرارتی که به وسیله هوای محیط در دمای ۳۵ درجه سانتی‌گراد تأمین می‌شود، اندازه سیستم را کاهش می‌دهد. همین‌طور هزینه‌های نگهداری نیز در نبود برج خنک‌کن کاهش خواهد یافت.

این مطلب را هم بخوانید  لوله کشی و جوشکاری در سیستم های برودتی-بخش دوم

سیکل جذبی آب – آمونیاک:

ساده‌ترین نوع سیکل جذبی، سیکل یک مرحله‌ای یا پایه است. متأسفانه cop سیکل جذبی هوا خنک یک مرحله‌ای آب – آمونیاک که در آن مبدل‌های حرارتی بکار نرفته است، حدود ۵/۰ بوده که خیلی پایین‌تر از مقدار ۳/۱ است که برای رقابت کردن با سیستم‌های تراکمی بخار لازم است به آن دست یابد. حتی اگر تفاوت قیمت بین انرژی گاز و برق را نیز در نظر بگیریم، باز هم هزینه عملکرد و تجهیزات سیکل جذبی یک مرحله‌ای آب – آمونیاک از سیکل تراکمی بالاتر بوده و توانایی رقابت تجاری را نخواهد داشت. یکی از راه‌حل‌های سیکل پایه استفاده از مبدل حرارتی ژنراتور – جاذب (gax) است. سیکل شامل (GAX) می‌تواند ضریب عملکرد را بین ۸/۰ تا ۱ افزایش دهد و یکی از عمده تحقیقات قابل‌اعتماد در زمینه‌های جذبی است. با تمام این تلاش‌ها به‌هرحال توسعه تجاری این دستگاه‌ها وضعیت مناسبی ندارد. این تحقیق، شاخص‌های کاری و محدودیت‌های سیکل‌های چند مرحله‌ای را مورد مطالعه قرار داده است. وقتی یک سیکل چند مرحله‌ای ساخته می‌شود تعداد پارامترهای طراحی نیز افزایش می‌یابد. اولین سیکل سه مرحله‌ای جذبی آمونیاک در سال ۱۹۹۰ توسط) devault و marsala) بررسی شد. نتایج تحقیقات آن‌ها عملکرد یک سیکل سه مرحله‌ای با شرایط دمایی برج خنک‌کن را پیش‌بینی کرد ولی هیچ بررسی برای استفاده از مبدل‌های حرارتی یا توانایی خنک کاری سیکل با استفاده از هوا انجام نگرفت. تحقیقات روی سیکل‌های جذبی سه مرحله‌ای ادامه یافت و در سال ۱۹۹۷ سیکلی که با جفت مبرد- جاذب آب- آمونیاک و یا محلول آمونیاک – سدیم تیوسینات کار می‌کرد مورد بررسی قرار گرفت، اما محلول دومی باعث پیچیدگی سیستم شد و برای صنعت تهویه مطبوع ماده خطرناک بشمار می‌رفت. مطالعاتی که روی آب – آمونیاک انجام شد که سیکل توانایی خنک کاری با هوا را نیز داراست. سیکل جذبی آب – آمونیاک به وسیله خواص طبیعی این محلول محدود می‌شود. در دمای پیش از ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد، در ژنراتور سیکل، خوردگی یک مسئله مهم به شمار می‌آید. نمودار اجزا سیکل برای قسمت فشار بالا و فشار پایین یا حلقه بالا و پایین به‌طور جداگانه در شکل‌های a2 و b2 نشان داده شده است. برای این سیکل گرمای آزاد شده از حلقه فشار بالا شامل کندانسور، جاذب و رکتیفایر برای راه اندازه سیکل فشار پایین به کار می‌رود.

این مطلب را هم بخوانید  افزایش بازدهی سیستم تبرید

مدل‌سازی سیکل سه مرحله‌ای

آشنایی:

در این بخش فرآیندهای سیکل جذبی یا استفاده از روابط پایه‌ای سیالات و قانون بقای جرم و انرژی مدل می‌شوند. متغیرهای مرتبط با طراحی شناخته‌شده و از آن‌ها برای بهینه کردن ضریب عملکرد سیستم استفاده شده است. سایز مناسب مبدل‌های حرارتی محاسبه‌شده و حالت‌های مختلف اتصال حلقه‌ها به هم مورد ارزیابی قرار گرفته است و در نهایت عملکرد سیستم تحت خنک کاری با هوای بیرون و در شرایط تابستانی توضیح داده شده و با نوع تراکمی آن مقایسه شده است. تجزیه و تحلیل‌های بیشتر و وسیع‌تر در این زمینه توسط jacob در سال ۱۹۹۷ به انجام رسیده است. برای مشخص کردن شرایط محلول در هر نقطه طراح باید تمام موارد نیاز سیکل یا مشخصات کاری آن را آزمایش کند احتیاجات سیکل جذبی می‌توان برای مشخص شدن خواص محلول در نقاط حالت مورد استفاده قرار گیرد.

جاذب:

همان‌طور که در شکل ۲A دیده می‌شود در جاذب مایع اشباع با غلظت پایین (مرحله ۱۵) با بخار اشباع یا سوپرهیت (مرحله ۳) مخلوط می‌شود و گرمای جذب که در حین فرآیند آزاد می‌شود به چاه حرارتی در دمای پایین (جریان بین ۶ و ۷) تخلیه می‌شود تا مخلوط به‌صورت اشباع با غلظت متوسط حاصل شود. (مرحله ۴). در فرآیند جذب که بین مایع و بخار رخ می‌دهد. فرض بر این است که تعادل برقرار شده و در حالت تعادل، دمای مایع و بخار یکسان است. علاوه بر این پتانسیل شیمیایی برای هر جز در مخلوط نیز باید در فاز بخار و مایع یکسان باشد. همچنین دمای اشباع برای غلظت‌های متفاوت نیز باید تفاوت داشته باشد مشخصات جاذب می‌تواند به‌وسیله سه خصوصیت مستقل دو جریان از سه جریان آن به‌طور کامل تعیین شود. همچنین مقدار انرژی که از جریان محلول آزاد می‌شود می‌تواند.

این مطلب را هم بخوانید  پنل های سقفی - تشعشعی

از طریق قانون بقا انرژی و به‌صورت تابعی از دبی جرمی جریان محلول و آنتالپی آن بیان شود. بیان فرآیند جذب در فشار ثابت در نمودار دما-غلظت در شکل ۳ نشان داده شده است. از این بیان، بعضی از محدودیت‌های سیکل مشخص می‌شود. برای هر فرآیند جذبی، دما در مرحله ۴ باید کمتر از مرحله ۱۵ باشد و غلظت مرحله ۴ باید بیشتر از مرحله ۱۵ باشد. فرآیند جذبی به‌وسیله دمای چاه حرارتی که برای تخلیه حرارت استفاده می‌شود نیز محدود می‌گردد. کمترین دمایی که می‌توان حرارت را به آن تخلیه کرد یکی از پارامترهای مهم طراحی است. برای اینکه حرارت بتواند از جریان محلول به دمای پایین‌تر منتقل شود. (مرحله ۶ تا ۷) دمای مرحله ۴ باید بالاتر از مرحله ۷ باشد. دمای حالت ۶ نیز یکی از پارامترهای مهم طراحی است. این دمای به‌طور معمول، دمای چاه حرارتی سیکل در نظر گرفته می‌شود و حد آن با دمای هوای خارج یا دمای آب برج خنک‌کن معلوم می‌شود. غلظت مبردی که وارد محفظه جاذب می‌شود از دیگر پارامترهای طراحی است. غلظت مخلوط مبرد باید تا حد امکان به مبرد خالص نزدیک باشد. چون هرچه مبرد خالص‌تر باشد میزان انتقال حرارت در اواپراتور و همچنین ظرفیت دستگاه و حرارت دفع شده افزایش خواهد یافت. این غلظت ممکن است توسط طراح مشخص شود یا نتیجه محدودیت‌های موجود در انتقال حرارت و رکتیفایر دستگاه باشد. در محفظه جاذب نیز فرض می‌شود که فشار برای تمام جریان‌ها یکسان است و بنابراین یکی از پارامترهای مشخص شده طراحی به شمار می‌آید. نشان داده شده که فرض ثابت بودن فشار در محفظه جاذب منجر به نتایج درستی می‌شود.

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

اشتراک رایگان تاسیسات نیوز
هفته نامه تاسیسات نیوز تنها نشریه الکترونیکی تاسیسات ایران است. با عضویت در سایت کاشانه این نشریه را هرهفته در میل باکس خود رایگان دریافت کنید.البته عضویت مزایای دیگری نیز دارد...