پروژه تخصصی کارشناسی ناپیوسته مکانیک حرارت و سیالات
بخش اول – سیکل تبرید
تبرید- طراحی سیکل تبرید جذبی خورشیدی به ظرفیت 2 تن
تبرید و سیستم های تراکمی تبخیری
تبرید
به هر تحولی که درآن حرارت گرفته می شود تبرید می گویند. به شاخه ای از علم که در آن به کاهش و ثابت نگه داشتن دمای یک ماده یا فضا ، در دمایی پایین تر از دمای محیط پرداخته می شود تبرید اطلاق می گردد. به بیان دیگر در تحول تبرید ، حرارت از جسم سرد شونده ای گرفته شده و به جسم دیگری که دمای کمتر از جسم سرد شونده دارد منتقل می گردد.
چون در این تحول حرارت گرفته شده از جسم سرد شونده با جسم دیگری منتقل می شود، لذا در تحول تبرید هم گرمایش و هم سرمایش وجود دارد وفقط نحوه استفاده از سیستم آنها را از یکدیگر متمایز می سازد.
لزوم استفاده از عایق های حرارتی
درتبرید چون حرارت همواره از محل گرمتر به سردتر منتقل می شود، بطور پیوسته جریان حرارتی بین دو محیط ذکر شده برقرار می شود و برای جلوگیری از آن معمولاً محل سرد شونده را به وسیله عایق حرارتی از محیز جدا می کنند.
عامل سرمایی
در تحولات برودتی ماده جذب کننده حرارت یا عامل سرمایی را مبرد یا ماده سرما زا می نامند. بسته به تاثیری که حرارت جذب شده بر روی مبرد دارد، می توان تحولات برودتی را به دو صورت محبوس و نهان طبقه بندی نمود. در صورتیکه جذب حرارت موجب افزایش دمای سرد کننده شود، تحول برودتی رامحسوس و چنانچه موجب تغییر حالت فیزیکی مبرد شود( ذوب یا تبخیر) آن را نهان می نامند. در هر دو مورد بایستی مبرد همواره از دمای فضا یا ماده سرد شونده کمتر باشد.
مبردهای مایع
توان جذل حرارتی خیلی زیاد مایعات به هنگام تبخیر، اساس کار سیستم های تبرید مکانیکی مدرن راتشکیل می دهد . ساده بودن کنترل تحول ، به طوریکه می توان تبرید را به طور دلخواه شروع یا متوقف نمود از امتیازات این مبردها است همچنین می توان شدت تبرید را در محدوده های کوچکی از پیش تعیین نمود و با کنترل فشار تبخیر مایع، دمای تبخیر را تغییر داد . به علاوه می توان بخار را به سهولت جمع آوری و به مایع تبدیل و با برقراری جریان مداری ازآن به کرات از تبخیر آن برای ایجاد برودت استفاده نمود.
تبخیر مبرد
باتبخیر مایع مبردی مثل( 12- R) در داخل مخزن شکل (5-6) و تخلیه بخار حاصل
می توان در فضای عایق کاری شده، سرمای مناسبی ایجاد نمود.
تا زمانیکه مبرد( 12-R) در فشار اتمسفر یک استاندارد می باشد دمای اشباع آن C ْ 8/29- خواهد بود. تبخیر مبرد در این دما باعث می شود که حرارت فضای C ْ 5 براحتی از دیواره مخزن عبور کرده و باجذب به وسیله مبرد با بخار خروجی از مخزن، از فضا خارج گردد.
چون در طول تحول تبخیر ، دمای مایع ثابت می ماند، مادامی که مایع تبخیر می شود ایجاد سرما ادامه خواهد یافت. هر محفظه ای نظیر مخزن شکل(5-6) که در طول تحول تبرید در آن مبردی تبخیر می شود اوپراتور نامیده می شود. اوپراتور یکی از قسمتهای اساسی سیستم های تبرید مکانیکی است.
دمای تقطیر
به منظور انجام عمل تبرید پیوسته، بخار مبرد بایستی با همان شدت تبخیر در اوپراتور، در کندانسور نیز تقطیر گردد و این بدان معنی است که شدت خروج حرارت از سیستم کندانسور، باید برابر شدت ورود حرارت به سیستم در اوپراتور ، لوله مکش و حرارت معادل تراکم در کمپرسور باشد.
شدت انتقال حرارت از بخار مبرد به عامل تقطیر در کندانسور تابع سه عامل زیر می باشد:
مساحت سطح تقطیر
ضریب هدایت حرارتی سطو کندانسور
اختلاف دما بین بخار مبرد و عامل تقطیر
در یک کندانسور با مساحت سطح تقطیر و ضریب هدایت حرارتی معین، شدت انتقال حرارت از سطوح آن ، تنها به اختلاف دمای بین بخار مبرد و عامل تقطیر بستگی خواهد داشت.
چون دمای تقطیر، همواره برابر مجموع دمای عامل تقطیر و اختلاف دمای بین مبرد تقطیر شونده و عامل تقطیر می باشد، دمای تقطیر مستقیماً با تقطیر دمای عامل تقطیر و شدت انتقال حرارت لازم درکندانسور تغییر خواهد کرد.
فشار تقطیر
فشار تقطیرهمواره برابر فشار اشباع مربوط با دمای مخلوط مایع و بخار موجود در داخل کندانسور می باشد.
تبرید با سیستم جذبی
اگر در سیستم تراکمی بخار، به جای کمپرسور یک ژنراتور و یک جذب کننده قرار دهیم، نتیجه یک سیکل جذبی ساده خواهد شد. شکل(1-24) شمای یک سیستم جذبی را نشان
می دهد که در آن ژنراتور و جذب کننده، مبرد تبخیر شده درفشار اوپراتور را به فشار کندانسور می رساند.
طرز کار به این صورت است که بخار تبخیر شده دراوپراتور وارد جذب کننده شده درجه حرارت محلول جاذب را بالا می برد . این حرارت به کمک یک کویل سرد خارج خواهد شد. محلول جاذب دراین مرحله قوی بوده، زیرااز مبرد غنی می باشد، این محلول به کمک پمپ وارد ژنراتور خواهد شد. در ژنراتور درجه حرارت آن با افزایش حرارت بالا رفته و بخار مبرد در درجه حرارت و فشار بالا به طرف کندانسور رانده می شود. محلول جاذب داخل ژنراتور به علت از دست دادن بخار مبرد محلول ضعیفی شده وبا تقلیل فشار به جذب کننده بر می گردد،
در صورتیکه بخار مبرد مانند سیکل تراکمی به کندانسور و شیر انبساط و اوپراتور خواهد رفت.
در سیستم جذبی کار مکانیکی کمی لازم است ، زیرا به جای کمپرسور که کار مکانیکی زیادی انجام می دهد پمپ با کار مکانیکی صرفنظر کردن بکار رفته وکسب انرژی به صورت انرژی حرارتی از ژنراتور خواهد بود.
سیستم جذبی آب – آمونیاک
در این سیستم مبردآمونیاک و سیال جاذب، آب می باشد.
سیستم جذبی آب آمونیاک که تنها سیستم جذبی بوده که سالها در صنایع از آن استفاده گردید، امروزه نیز، خصوصاً در تبرید درجات حرارت پایین C ْ 32 به کار می رود. نمودار (1-24) خواص محلول امونیاک و آب را در حالت مایع و بخار نشان می دهد. با استفاده از دیاگرام و با معلوم بودن فشار و درجه حرارت می توان سایر مشخصات را بدست آورد ودر مراحل مختلف می توان عملکرد یک سیستم جذبی را بدست آورد. یعنی با تعیین مقدار حرارتی که در ژنراتور کسب شده ومقدار حرارتی که در جذب کننده و کندانسور از دست رفته می توان مقدار سرمایی را که در اوپراتور حاصل شده تعیین نمود.
سیستم جذبی تکمیل شده
در سیستم جذبی مذکور می توان برای بالا بردن راندمان تغیییراتی داد. مثلاً با تقیلیل آبی که در اوپراتور جریان خواهد یافت ، راندمان را می توان بالا برد، کار دیگری که می توان برای بالا بردن راندمان نمود قراردادن یک مبدل حرارتی بین جذب کننده و ژنراتور
می باشد، شکل (5-24)
شمای یک سیستم چذبی تکمیل شده را نشان می دهد، که درآن یک رکتیفایر و یک آنالیز برای نقصان مقدار مایعی که احتمالاً وارد کندانسور خواهد شد در نظر گرفته شده. آنالیزور از یک سری پره تشکلی شده که در بالای ژنراتور قرار می گیرد، محلول قوی جذب کننده از این پره ها عبور کرده و بخاری که از ژنراتور بالا می رود بدین وسیله سرد شده وعلاوه بر این مقداری از بخار آب را نیز تقطیر خواهد کرد. در رکتیفایر نیز کویل آب سرد خواهیم داشت. مقداری بخار آب و ( قدری آمونیاک) تقطیر شده به ژنراتور برمی گردد . مبدلی که بین جذب کننده و ژنراتور فرستاده میشود، گرم شده ومحلول ضعیف ژنراتور که به جذب کننده بر می گردد سرد خواهد شد. در حقیقت با این مبدل از مقدار حرارتی که به ژنراتور و مقدار سرمایی که بجذب کننده باید داده شود کاسته خواهد شد.
ضریب عملکرد در سیستم های جذبی
ضریب عملکرد در سیستم های جذبی به صورت زیراست:
وقتی ضریب عملکرد سیکلهای تراکمی را با سیکلهای جذبی مقایسه نماییم ضریب عملکرد سیکل خیلی کمتر به نظر می رسد، مثلاً ممکنست (3 در برابر 7% ) باشد ولی باید توجه کرد که ضریب عملکرد در سیکل جذلی با سیکل تراکمی کاملاً متفاوت است زیرا در سیکل جذبی حرارت مبادله شده در ژنراتور منظور شده در حالیکه در سیکل تراکمی کار کمپرسور منظور می گردد. انرژی که در اثر کار حاصل می شود معمولاً خیلی گرانتر از انرژی است که از حرارت بدست می آید.
رابطه ترمودینامیکی ضریب بهره این سیستمها، Cop از رابطه زیر محاسبه می شود.
Tg=generator temperature
Tr=refreigerant (evaporator)Temperature
Tc= Condenser Temperature
Ta= Absorber Temperature
ضریب بهره ایده آل همان ضریب بهره کارنو می باشد. ضریب بهره این سیستمها به دو بخش تقسیم می شود که عبارتند از : ضریب بهره برودتی و ضریب بهره چرخه حرارتی که معادلات آنه به صورت زیر تعریف می شود:
ویژگی های آمونیاک بعنوان مبرد
می توان موارد زیر را به عنوان دلایل برتر نسبی آمونیاک ذکر کرد:
ارزان بودن
عدم آسیب رسانی به لایه ازن
خواص ترمو دینامیکی خوب
کوچکتر شدن و همچنین ارزانی سیستم هایی که با آمونیاک کار می کنند .
گرم تر بودن ژنراتور وسردتر بودن جذب کننده دستگاههای جذبی مورد بحث البته این نکته را هم بایستی مدنظر قرار داد که آمونیاک ماده ایست سمی و آتش زا که بایستی دقت کافی برای عدم نشت گاز آمونیاک از سیستم و همچنین انتخاب جنس قطعات در تماس با آمونیاک اعمال گردد.
سیستم های با ظرفیت بالا
در این سیستم ها بدلیل حجم بالای انرژی مورد نیاز ژنراتور، از چند راه برای تامین این انرژی از چند راه برای تامین این انرژی استفاده می شود. یکی استفاده از سیالات واسطه مثل بخار آب است که بعنوان واسطه انتقال حرارت استفاده می شود. در اینحالت در کنار سیستم جذبی یک دیگ بخار نیز بکار گرفته می شود. در روش دیگر ژنراتور انرژی مورد نیاز را مستقیماً از شعله دریافت می کند. ( direct fire)
اجزا سیستم
الف- وسایل انبساط:
در سیستم های جذبی نیز از وسایل انبساط استفاده می شوند.این وسایل انبساط غیرمکانیکی هستند، مانند اریفیسها
ب- اوپراتورها:
اوپراتورها تشکیل شده از یکسری دسته لوله که بر روی آنها آب مبرد پاشیده می شود . بدین ترتیب گرما از سیال در گردش سیستم خنک کننده که از داخل این لوله ها می گذرد گرفته می شود.
ج – ژنراتورها
خواص آمونیاک و اهمیت آن در صنعت تبرید
آمونیاک ( 3 NH) یا 717R مبردیست که امروزه در مصارف گوناگون کاربرد دارد. آمونیاک بی رنگ ، سبکتر از هوا و دارای بوی تند می باشد اصولاً سمی است . آمونیاک در مجاورت بخار آب می تواند با مس و ترکیبات آن نظیر برنج واکنش شیمیایی بدهد .ازاینرو در یک سیستم آمونیاکی از کاربرد قطعات مسی و برنجی اجتناب می شود. هرچه دمای محلول بالا رود میزان حلالیت آمونیاک در آب کاهش می یابد. یک لیتر آب در دمای C ْ10 قادر است Lit500 آمونیاک را در خود حل کند و اساس کار تبرید جذبی آمونیاک نیز همین مطلب است. گرمای حل شدن یک کیلوگرم آمونیاک در آب حدود Kcal 520 است. با عنایت به جدی شدن بحث ممنوعبت استفاده از CfC وکاهش هر نوع آلودگی زیست محیطی جا دارد آمونیاک مورد توجه بیشتری قرار گیرد.
در انتخاب سیال عامل به عنوان مبرد مشخصه های همچون خصوصیات زیر مدنظر قرار می گیرند:
بالا بودن دمای نهان تبخیر در درجه حرارت های پایین برای تولید سرماه بعنوان مثال آمونیاک با دبی جرمی در دمای تبخیرC ْ15- اشباع در اوپراتور و دمای اشباع تقطیر Cْ 30 در کندانسور قادر است مقدار kw 1103 برودت تولید نماید. درحالیکه همان مقدار فرتون 12-R در همان شرایط قادر به تولید مقدارkw116 برودت می باشد.
بالا بودن فشار بحرانی در مقایسه با فشار تقطیر در کندانسور جهت کاهش تلفات در سیکل تبرید . که این عامل باعث پایدار شدن سیال مبرد در هنگام کار در چرخه سرمایی است.
فشار بحرانی CFC= خود 5/2 برابر کمتر از فشار بحرانی آمونیاک است