معرفی انواع سیکل های تبرید اجکتوری با اجکتورهای دو مرحله ای
ابراهیم افشاری استادیار گروه مهندسی مکانیک
دانشگاه اصفهان
ریحانه لائی دانشجوی کارشناسی مهندسی مکانیک
دانشگاه اصفهان
مریم جعفری دانشجوی کارشناسی مهندسی مکانیک
دانشگاه اصفهان
چکیده
انواع سیکل های تبرید اجکتوری یا اجکتورهای دو مرحله ای مزیتهای عمده ای نسبت به حالت تک مرحله ای دارند؛ از آن جمله میتوان به امکان استفاده در فشارهای مطلق پایین تر از فشار سیستم تک مرحله ای و همچنین فراهم بودن شرایط کاری در گستره دماهای گوناگون تبخیر کننده اشاره کرد. اجکتورهای دو مرحله ای به صورت موازی در مواجهه با بار ورودی بالا و به حالت سری در فشارهای مطلق پایین مورد استفاده قرار می گیرند. هدف این مقاله ارائه نمونه هایی متفاوت از آرایش انواع سیکل های تبرید اجکتوری با اجکتورهای دو مرحله ای، همچنین بیان نحوه عملکرد و مزیت هریک از آنها، به منظور ترویج و گسترش تحقیقات روی این نوع سیکل ها میباشد. به طور کلی، مزیت اجکتورهای چندمرحله ای موازی نسبت به اجکتورهای چند مرحله ای حالت سری این است که اگر در یکی از اجکتورهای سیستم خرابی به وجود آید، می توان بدون ایجاد مشکل در سیستم آن را به منظور تعمیر و یا جایگزینی از سیستم جدا کرد.
۱. مقدمه
اجکتور نوع ساده شده یک پمپ خلا یا کمپرسور خط بدون اجزای متحرک مکانیکی است. به بیان ساده تر، اجکتور با استفاده از انرژی جنبشی سیال با فشار بالا (سیال اولیه)، سیال با فشار کم (سیال ثانویه) را به حرکت در می آورد و سپس آنها را با هم مخلوط می کند. هرچند سیکل های اجکتوری ضریب عملکرد پایین تری نسبت به سیکل های تراكم بخار دارند؛ اما تجهیزات کمتر، عدم نیاز به روغنکاری و در نتیجه نگهداری آسان از ویژگیهای متمایز سیکل های اجکتوری است.
علاوه بر این، امکان استفاده از سیالات عامل سازگار با محیط زیست همچون آب مهمترین مشخصه آن است . به طور کلی می توان اجکتورها را به دو دسته تک مرحله ای و چند مرحله ای تقسیم بندی کرد. امروزه برای بهبود کارایی پایین سیکل های تبرید با اجکتورهای تک مرحله ای، سیکل های تبرید اجکتوری با اجکتورهای چند مرحله ای متنوعی مدلسازی شده است که نسبت به مدل های تک مرحله ای مزایای به قرار ذیل دارند:
١. به سیستم اجازه می دهند در فشارهای مطلق پایین تر از فشار سیستم تک مرحله ای عمل کند .
۲. بعضی از آنها شرایط کاری را در گستره دماهای گوناگون تبخیر کننده فراهم می کنند .
اجکتورهای چند مرحله ای به صورت موازی و سری مورد استفاده قرار می گیرند. از اجکتورهای چند مرحله ای به صورت موازی معمولا در مواردی که بار ورودی بالایی داشته باشیم، استفاده می شود؛ اما وقتی بخواهیم در فشارهای مطلق پایین کار کنیم، نوع سری مورد استفاده قرار می گیرد. مزیت اجکتورهای چند مرحله ای موازی نسبت به حالت سری این است که اگر در یکی از اجکتورهای سیستم خرابی به وجود آید، می توان بدون ایجاد مشکل در سیستم به منظور تعمیر و یا جایگزینی آن را از سیستم جدا کرد؛ اما در مدل سازی اجکتورها به صورت موازی باید در نظر داشت که همواره یک اجکتور در حال کار است و عملکرد بقية اجکتورها توسط فشار کندانسور تعیین می گردد .
استفاده از انواع سیکل های تبرید از جمله سیکل تبرید اجکتوری نخستین بار در سال ۱۹۱۰ م توسط لی بالانس گسترش یافت. وی از یک اجکتور با سیال عامل آب استفاده و ملاحظه کرد که سیکل دارای ضریب عملکرد پایینی است. کنان و همکاران [۲] اولین گروهی بودند که به مطالعه تئوری فرایند درون اجکتور پرداختند و مدل یک بعدی براساس روابط دینامیک گاز و تئوری اختلاط ارائه نمودند؛ اما مدل آنها دارای ضعفهای زیادی بود و نمی توانست اثر ظرفیت ثابت را وقتی فشار خروجی (فشار کندانسور) کاهش می یابد توجیه کند. پس از آن، مطالعات تئوری برهمین مبنا انجام شد.
کایروانی و همکاران [۳] مدل جامعی را با اعمال تأثير اصطکاک و بازده انرژی ارائه نمودند. بررسی کمیتهای هندسی اجکتور به کمک دینامیک سیالات محاسباتی نخستین بار توسط ژیو و همکاران (۴) انجام شد. آنها نتیجه گرفتند که موقعیت خروجی نازل در مکش جریان ثانوبه تأثیرگذار است. در کنار مطالعات تئوری، مطالعات آزمایشگاهی زیادی روی سیکل انجام شد. سلوارج و مانی [۵] به کمک روش آزمایشگاهی و مبرد R134a اثر ابعاد اجکتور و شرایط عملیاتی نظیر دمای ژنراتور و تبخیر کننده را بر عملکرد سیکل بررسی و مشاهده کردند که انتخاب مناسب دمای تبخیر کننده و ژنراتور بر میزان ضریب عملکرد سیکل تأثیر بسزایی دارد.
چاران (۶) با مطالعه آزمایشگاهی به مقایسه عملکرد سیکل تبريد اجکتوری با مبردهای گوناگون پرداخت و نتیجه گرفت که مبردهایی نظیر R2، R21، R12، R11 و R113 بهترین عملکرد را ارائه میدهند. چایونگس و ونویسیس اثر قطر گلوگاه بر عملکرد سیکل تبرید اجکتوری را تحلیل و بررسی نمودند. در ادامه مدل سازی های متفاوتی از آرایش سیکل های تبرید اجکتوری با اجکتورهای دو مرحله ای معرفی می گردد و نحوة عملکرد هر یک از این سیکل ها و مزیت آنها بیان می شود.
٢. انواع سیکل های تبرید با اجکتور دومرحله ای
1-2 مدل اول
نمونه ای از سیستمهای تبرید اجکتور دو مرحله ای و سیکل ترمودینامیکی مربوط به آن در قالب نمودار دما – آنتروپی به ترتیب در شکل های ۱ و ۲ نمایش داده شده است. این سیستم از یک ژنراتور، دو اجکتور، یک کندانسور، یک شیر انبساط، یک تبخیر کننده یک پمپ سیرکوله، یک مبدل حرارتی و یک گیرنده تشکیل شده است.
آب به عنوان سیال کاری در سیستم استفاده میشود. مبرد در ژنراتور و در فشار اشباع با جذب گرما از گازهای سوخته شده موتور به جوش می آید. بخار فشار بالا (سیال اولیه) به دو بخش تقسیم میشود. بخش اول در میان نازل همگرا – واگرا در اجکتور اول و بخش دوم در میان نازل همگرا – واگرا در اجکتور دیگر گسترش می یابد. به طور همزمان، بخار مبرد از تبخیر کننده و بخار خروجی از اجکتور اول، به عنوان جریان ثانویه، به ترتیب به اجکتور اول و دوم وارد میشوند.
هر دو جریان در محفظه اختلاط هر اجکتور با هم ترکیب میشوند. جریان مخلوط شده متحمل یک موج ضربهای در محفظه قطر ثابت و در بخش دیفیوزر میشود تا زمانی که فشار آن به ترتیب تا فشار متوسط و فشار چگالش اجکتور اول و دوم افزایش یابد. جریان دما بالا در خروجی اجکتور دوم، پیش از ورود به کندانسور و به منظور افزایش دما در میان مبدل حرارتی جریان می یابد و سپس در کندانسور به وسیله فرایند چگالش و مبرد هوا سرد میشود. سیال چگالیده شده به دو بخش تقسیم می شود؛ قسمتی از آن در میان شیر انبساط جریان یافته و فشار آن تا فشار تبخیر کننده کاهش می یابد و بخش دیگر جهت تکمیل سیکل در مبدل حرارتی جریان یافته، تا قبل از بازگشت به ژنراتور دمای آن افزایش یابد .
هدف اصلی از طراحی این مدل از انواع سیکل های تبرید ، کاهش مصرف سوخت و میزان گازهای دی اکسید کربنی است که از اگزوز اتومبیل خارج می شود. این کار با بهره گیری از گرمای گازهای سوخته شده موتور به منظور راه اندازی سیکل حاصل می شود. مزیت دیگر این سیکل آن است که قابلیت کار کردن تحت دماهای بالای چگالش را فراهم می آورد.
۲ – ۲. مدل دوم
براساس سیکل تك اجکتوری لی و گرول (۱۲)، یک سیکل دو اجکتوری مطابق نمای نشان داده شده در شکل ۳، پیشنهاد شده است. این سیکل از یک کمپرسور، یک خنک کننده گازی، دو اجکتور، دو جداکننده (۱ و ۲)، چهار شیر گلوگاه و یک تبخیر کننده ترکیب شده است. جزئیات عملکرد این سیکل در ادامه شرح داده میشود .
جرم واحدی از بخار متراکم دی اکسید کربن در حالت فوق بحرانی وارد یک خنک کننده گازی می شود. سپس جریان سرد شده به عنوان جریان اصلی، برای بیرون دادن اس جرم واحد از سیال کم فشار از جداکننده دوم، وارد اجکتور اول می شود. جرم واحد
(co1 +1) از سیال مخلوط میشود و از دیفیوزر اجکتور اول عبور و در جدا کننده اول جریان می یابد. کیفیت جدا کننده اول (x1) باید نسبت به دبی جرمی جریان مکیده شده به داخل کمپرسور، برای اطمینان از بقای جرم و نگهداشتن حالت پایا بیشتر باشد؛
یعنی 
در نتیجه بخار اضافی با جریان مایع از طریق سوپاپ دریچه گاز ترکیب می شود و در اجکتور دوم جریان می یابد. مایع و بخشی از بخار جداکننده اول، به عنوان جریان اصلی اجکتور دوم به کار رفته و با 2 واحد جرم جریان مکیدشده از تبخیر کننده مخلوط می شود. جریان مخلوط شده از دیفیوزر اجکتور دوم عبور کرده و وارد جداکننده دوم می شود. همچنین جدا کننده دوم هم باید شرط 
را ارضا نماید .
جرم واحد co1 را از واحد بخار، به داخل اجکتور اول مکیده شده و بخار مایع باقی مانده جداکننده دوم از شیر گلوگاه عبور و وارد تبخیر کننده میشود. جریان تبخیر کننده به داخل اجکتور دوم مکیده شده و این حلقه کامل می گردد.
باید توجه داشت که معرفی تعداد بیشتر اجکتور برای سیکل با استفاده از همان روش تشریح شده در فوق امکان پذیر است. اگرچه تعداد بیشتر اجکتورها، کنترل سیکل تبرید را پیچیده تر و گران تر می کند؛ بنابراین در عمل امکان پذیر نیست. دیاگرام فشار – آنتالپی این سیکل در شکل ۴ نمایش داده شده است.
فشار ورودی 1 کمپرسور، خیلی بیشتر از خروجی ۱۰ تبخیر کننده است؛ بنابراین مصرف کار کمپرسور تا حد زیادی کاهش می یابد. افت فشار ۸-۹ در میان دریچه گلوگاه هم نسبت به سیکل های معمولی، از جمله سیکل اصلی بدون اجکتور و سیکل اجکتور انبساطی با یک اجکتور، کمتر است. بیشترین مزیت این سیکل پیچیده این است که می تواند بیشتر تلفات انبساطی سیکل دی اکسید کربن فوق بحرانی در مقایسه با سیکل تك اجکتوری را بازیابی کند.
۳ – ۲. مدل سوم
شکل ۵ نمای شماتیک یک سیکل تبرید اجکتوری پیشرفته را نمایش میدهد که از یک اجکتور با مکش دومرحله ای استفاده می کند. اجکتور با دو ورودی مکش، مبرد فشار پایین را از دو تبخیر کننده به عنوان جریان ثانویه مکش می کند. این امر سبب می شود مبرد در دو فشار پایین متفاوت تبخیر شود و جریان ثانویه با فشار متوسطی را تولید کند.
اجکتور می تواند با افزایش فشار متوسط جریان ثانویه با نرخ فشار بالایی کار کند. به عبارت دیگر هر دو تبخیر کننده به صورت موازی تنظیم می شوند. آرایش موازی در سیکل تبرید اجکتوری به تهویه بهتر هوا کمک می کند؛ زیرا دماهای تبخیر مبرد در هر دو تبخیر کننده میتواند با تغییرات دمای هوای بیرون تطبیق داده شود.
در اجکتور با دو ورودی مکش، در ابتدا سیال اولیه بخار مبرد را از تبخیر کننده اول مکش می کند. سپس سیال مختلط مرحله اول برای رسیدن به فشار تبخیر کننده دوم داخل دیفیوزر متراکم می گردد. سیال مختلط دیفیوزر اول را در سرعت بالایی برای ورود به محفظه اختلاط دوم ترک می کند و در حین ورود به محفظه اختلاط دوم، بخار مبرد را از تبخیر کننده دوم مکش مینماید. به طور مشابه، با تراکم در دیفیوزر اجکتور دو مجریان مختلط فشار بالا در خروجی دیفیوزر دوم شکل می گیرد و این جریان به سمت جداکننده جریان می یابد.
مشابه مسیرهای فرایند سیکل تبرید اجکتوری میباشد؛ با این تفاوت که یک اجکتور با دو ورودی مکش جایگزین اجکتور معمولی شده است. بر طبق فرایندهای سیکل، بخار اشباع مبرد فشار بالا، جداکننده را به عنوان سیال مکش کمپرسور ترک می کند و نرخ فشار و کار مکانیکی کمپرسور را کاهش میدهد. بنابراین سیکل تبرید اجکتوری با دو ورودی مکش میتواند برای سیستمهای تهویه مطبوع مناسبتر از دیگر سیکل ها باشد .
4-2 مدل چهارم
در شکل ۷ نمونه ای دیگر از انواع سیکل های تبرید (سیکل های تبرید اجکتوری دو مرحله ای ) به صورت شماتیک نمایش داده شده است. در این مدل طرح غیر معمولی از اجکتور ارائه شده که در آن دو اجکتور در یک ساختمان ادغام شده اند (شکل ۱). ساختمان این اجکتور به این صورت است که در مرحله آن به طور متوالی و بدون فاصله قرار گرفته اند.
ساخت حلقه اولیه میتواند دشوار باشد؛ چون در بخش هایی از گلویی نیاز به کاهش قدرت خنک کنندگی وجود دارد. اجکتور مرحله اول فاقد دیفیوزر بوده و خروجی آن از محفظه قطر ثابت به طور مستقیم وارد محفظه قطر ثابت مرحله دوم اجکتور میشود. این سیستم از یک ژنراتور دو مداره، یک تبخیر کننده، یک کندانسور، یک شیر انبساط، یک پمپ سیرکوله و یک اجکتور دو مرحله ای تشکیل شده است. آب به عنوان سیال عامل در این سیستم استفاده شده است. آب با جذب گرما در ژنراتور به جوش می آید و افزایش فشار میدهد. بخار فشار بالا به دو بخش تقسیم میشود و به عنوان جریان اولیه وارد نازل همگرا – واگرای مرحله اول اجکتور می گردد.
بخار آب در فشار اشباع و در دمای تبخیر کننده، به عنوان سیال ثانویه وارد اجکتور مرحله اول می گردد. این دو جریان وارد محفظه قطر ثابت مرحله اول اجکتور شده، در این ناحیه با هم اختلاط می یابند و جریان مختلط آنها به عنوان جریان ثانوية مرحله دوم اجکتور، وارد محفظه قطر ثابت اجکتور دوم می شود و با جریان اولیه اختلاط می یابد. جریان مختلط با عبور از دیفیوزر مرحله دوم، فشار آن تا فشار کندانسور افزایش می یابد جریان خروجی از اجکتور وارد کندانسور شده و با دفع گرما چگالیده میشود. سیال چگالیده شده به دو بخش تقسیم می شود. قسمتی از آن در میان شیر انبساط جریان یافته و فشار آن تا فشار تبخیر کننده کاهش می یابد و بخش دیگر جهت تکمیل سیکل، از طریق یک پمپ سیرکوله وارد ژنراتور میشود.
٣. نتیجه گیری
در این مقاله، به مدل های متنوع سیکل های تبرید اجکتوری با اجکتورهای دو مرحله ای که یک از انواع سیکل های تبرید هستند به اجمال اشاره شد. استفاده از این سیکل ها در فشارهای مطلق پایین تر و یا گستره ی دماهای گوناگون تبخیر کننده نسبت به نوع تک مرحله ای ترجیح داده میشود. آرایش های متفاوتی از سیکل های تبريد اجکتوری با اجکتورهای دو مرحله ای وجود دارد که بسته به شرایط کاری مورد استفاده قرار می گیرند. مثلا از مدل اول برای کاهش مصرف سوخت و انتشار گاز دی اکسید کربن از یک اتوبوس استفاده می شود؛ زیرا می توان از گرمای در دسترس از گازهای سوخته شده برای حرکت این سیستم استفاده کرد.
همچنین این مدل قابلیت کار تحت دماهای بالای چگالش را دارد. در مدل دوم، با توجه به وجود کمپرسور و خنک کننده گازی میتوان از سیال عامل های گازی همچون دی اکسید کربن استفاده کرد. همچنین این مدل توانایی بالایی در بازیابی تلفات انبساطی دارد. در مدل سوم؛ یعنی سیکل تبرید اجکتوری با دو ورودی مکش، دو تبخیر کننده در دو دمای تبخیر متفاوت به طور موازی حضور دارد که این امر به تهویه بهتر هوا کمک می کند؛ زیرا دماهای تبخیر مبرد در هر دو تبخیر کننده میتواند با تغییرات دمای هوای بیرون تطبيق داده شود. بنابراین سیکل تبرید اجکتوری با دو ورودی مکش میتواند برای سیستمهای تهویه مطبوع مناسب تر از دیگر سیکل ها باشد. در مدل چهارم به دلیل ادغام هر دو اجکتور در یک اجکتور، تجهیزات کمتری به کار برده شده است که در نتیجه هزینه ساخت را کاهش می دهد. از سوی دیگر استفاده از دو ژنراتور در دو دمای متفاوت را نیز ممکن می کند.
دیدگاهتان را بنویسید