سيستمهاي تبريد اجکتوري بدون پمپ
ابراهيم افشاري
استاديار گزوه مهندسي مکانيک
دانشگاه اصفهان
چکیده
سيستمهاي تبريد اجکتوري ، نسبت به سیکل تراکمی، دارای مزایایی چون قابلیت استفاده از منابع گرمایی با کیفیت پایین
مانند حرارت بازیافتی در فرایندهای صنعتی، انرژی خورشیدی)، کاهش انتشار آلاینده ها، نداشتن قسمت متحرک (به جز یک پمپ)، عمر طولانی، قابلیت اعتماد بالا، هزینه تعمیر و نگهداری کم، کاسته شدن صدا و ارتعاشات ناشی از حذف کمپرسور و صرفه جویی در مصرف انرژی الکتریکی، می باشد.
اما ضریب عملکرد سيستمهاي تبريد اجکتوري پایین است و از یک پمپ نیز استفاده می کند. می توان با بهینه سازی ابعاد اجکتور و استفاده از مبرد مناسب، ضریب عملکرد سیکل را افزایش داد. اما، پمپ که وظیفه انتقال مایع از کندانسور به ژنراتور را دارد، تنها تجهیز با بخش متحرک در این سیستم است. پمپ نه تنها به انرژی الکتریکی، بلکه به تعمیر و نگهداری دائم نیز نیاز دارد. در کاربردهای واقعی قیمت این پمپ بالاست و ممکن است به دلیل عدم سازگاری متریال پمپ با سیال کاری سیکل، پمپ دچار آسیب شود. از این رو، در این مطالعه به بررسی راهکارهایی برای حذف پمپ در سیستم تبرید اجکتوری پرداخته میشود. این راه کارها شامل استفاده از اجکتورهای گرانشی، سیستم تبرید با دو اجکتور، سیستم تبرید با اثر پمپاژ حرارتی و سیستم تبرید همراه با لوله حرارتی می باشد. با حذف پمپ از سیستم هیچ یک از اجزای سيستمهاي تبريد اجکتوري قسمت متحرک نداشته و به برق نیاز ندارند.
۱. مقدمه
سیکل های جذبی و سيستمهاي تبريد اجکتوري امکان استفاده از انرژی خورشیدی (و یا یک منبع دما پایین دیگر) را دارند و می توانند از این منبع تجدیدپذیر به منظور تولید سرمایش استفاده کنند. تبرید و تهویه هوا به کمک انرژی خورشیدی موضوع جالب در توسعه فناوری های خورشیدی است.
برخلاف دیگر کاربردهای انرژی خورشیدی (مانند گرمایش)، بیشترین نیاز به سرمایش وقتی است که خورشید می تابد؛ در حالی که در کاربردهای گرمایش عموما در شب، که خورشید غروب کرده است، به انرژی گرمایی خورشید نیاز است. اما در میان انواع کاربردهای انرژی خورشیدی، ایجاد سرمایش یکی از پیچیده ترین سیستم هاست.
این پیچیدگی هم در اجزاء و هم در فناوری میباشد. سیستم های تبرید جذبی که از انرژی خورشیدی استفاده می کنند، در طراحی و ساخت بسیار پیچیده اند و از این رو هزینه های این سیستمها بالاست. سيستمهاي تبريد اجکتوري می تواند یک سیستم جایگزین برای سیستم های تبرید جذبی باشد. در مقایسه ای کلی بین سیکل اجکتوری و جذبی می توان گفت هرچند سیکل های اجکتوری ضریب عملکرد پایین تری دارند؛ اما تجهیزات کمتر، عدم نیاز به روغن کاری و در نتیجه نگهداری آسان از ویژگی های متمایز سیکل های اجکتوری است.
علاوه بر این امکان استفاده از سیالات عامل سازگار با محیط زیست مانند آب مهمترین مشخصه آن است.به دلیل ضریب عملکرد نسبتا پایین سیستم تبرید اجکتوری، محققان و مهندسان در تلاش برای ارتقای ضریب عملکرد این سیستم می باشند. در دهه گذشته، نوآوری هایی برای ارتقای عملکرد سیستم تبرید اجکتوری شامل کاهش کار پمپ مکانیکی، استفاده از مبردهای خاص و استفاده از ذخیره انرژی تجدیدپذیر در دسترس، انجام شده است. بسیاری از گروههای تحقیقاتی به طور گسترده از محاسبات تئوری، شبیه سازی های کامپیوتری و فعالیتهای آزمایشگاهی در این زمینه سود برده اند.
طرح سيستمهاي تبريد اجکتوري همراه با ساختمان اجکتور در شکل ۱ نمایش داده شده است. این سیستم از ژنراتور، اواپراتور، کندانسور، شیر انبساط، پمپ و اجکتور فراصوت تشکیل شده است. اجکتور جزء اصلی این سیستم است و قلب سیستم نامیده میشود که همراه با پمپ به عنوان جایگزین کمپرسور مکانیکی در سیستم تبرید تراکمی عمل می کند. اجکتور وسیله ای است که از یک سیال فشار بالا (سیال محرک) که از ژنراتور آمده است استفاده می کند تا یک سیال فشار پایین (جریان ثانویه)؛ یعنی سیال خروجی از تبخیر کننده را دنبال خود به حرکت در آورد.
مطابق شکل ، اجکتور در سيستمهاي تبريد اجکتوري از چهار قسمت عمده نازل ابتدایی، محفظه اختلاط، قسمت قطر ثابت و دیفیوزر تشکیل شده است. سیال فشار بالا وارد نازل ابتدایی شده و با عبور از نازل ابتدایی سرعتش به شدت افزایش و فشارش کم میشود. با این عمل فشار داخل اجکتور نسبت به بیرون کاهش قابل ملاحظه ای می یابد و باعث ایجاد خط شده، سیال ثانویه به محفظه اختلاط اجکتور کشیده میشود و با سیال داخل اجکتور مخلوط شده و با عبور از دیفیوزر و قسمت تخلیه از اجکتور خارج میشود.
سیال خروجی از اجکتور وارد چگالنده میشود. بخشی از سیال خروجی از چگالنده از طریق شیر اختناق وارد تبخیر کننده می شود تا سیکل تبرید وظیفه اصلی خود( ایجاد سرمایش) را انجام دهد. بخش دیگر مایع خروجی از چگالنده از طریق پمپ به ژنراتور بخار منتقل میشود.
هرچند در سيستمهاي تبريد اجکتوري کمپرسور حذف گردیده است؛ اما یک پمپ به سیستم اضافه شده است. کار الکتریکی مورد نیاز پمپ نسبت به کمپرسور بسیار کمتر است. اما یک تجهیز با بخش متحرک است. پمپ وظیفه انتقال مایع چگالیده در کندانسور به سمت ژنراتور را برعهده دارد و تنها تجهیز با بخش متحرک در سيستمهاي تبريد اجکتوري است. پمپ نه تنها به انرژی مکانیکی اضافی نیاز دارد، بلکه به تعمیر و نگهداری دائم نیز نیاز دارد.
در کاربردهای واقعی سیکل تبرید قیمت این پمپ بالا بوده و ممکن است به این دلیل که متریال پمپ با سیال کاری سیکل سازگاری نداشته باشد، پمپ دچار شکستگی و آسیب شود. از اینرو بسیاری از محققان سعی کرده اند از روش هایی دیگر به جای استفاده از پمپ بهره گیرند تا این کاستی های سیستم حذف گردد. در این مقاله، به بررسی راهکارهای حذف پمپ در سیستم تبريد اجکتوری پرداخته شده است. این راهکارها شامل استفاده از اجکتورهای گرانشی، سیستم تبرید با دو اجکتور ، سیستم تبرید با اثر پمپاژ حرارتی و سیستم تبرید همراه با لوله حرارتی می باشد. بدین وسیله دیگر هیچ کدام از اجزای سیستم تبريد اجکتوری قسمت متحرک نداشته و به برق نیز نیاز ندارند.
٢. اجکتورهای گرانشی
در سیستم های تبريد اجکتوری با پمپ، (شکل ۲ الف) پمپ برای جریان پیدا کردن سیال بین مبدل های حرارتی استفاده می شود. در این سیستم، مبدل های حرارتی در هر سطحی نسبت به هم قرار می گیرند. جریان مبرد مایع از چگالنده به سمت ژنراتور بخار،به وسیله پمپ انجام می شود. یک شیر اختناق بين چگالنده و تبخیر کننده در هر موقعیت دلخواه قرار می گیرد. پمپ تنها بخش سیکل است که بخشهای متحرک دارد و ممکن است سبب نشتی در تجهیزات شود. اگر فشار عملکرد مبرد بالاتر از فشار اتمسفر باشد، نشتی معمولا مشکل ساز نمی شود.
اگر فشار عملکرد مبرد پایین تر از فشار اتمسفر باشد، حتی مقدار کمی نشتی هوا از هوای بیرون می تواند فرایند تبخیر و چگالش (به خصوص برای آب) را مختل و بی ثبات کند. در مواردی که محیط اشتغال پذیر است (مانند هیدروکربنها ، اترها، الكل ها) مکش هوا سبب خطر قابل توجه انفجار می شود. کاسپرسکی یک مدل سیستم تبرید اجکتوری گرانشی ارائه و آن را شبیه سازی کرده است.
برخلاف سیستم تبرید اجکتوری با پمپ، در این ساختار اجازه نداریم اجکتور و مبدل های حرارتی را هرگونه که خواستیم قرار دهیم؛ بلکه مبدل های حرارتی (کندانسور و تبخیر کننده در سطوح (ارتفاع های) مختلف قرار دارند (شکل ۲ ب). از اینرو فشار هیدرواستاتیکی مبرد، آرایش عمودی مبدل های حرارتی را قادر می سازد تا اختلاف فشار بین مبدل ها را تأمین کند و مبرد از چگالنده به سمت ژنراتور انتقال یابد.
پایین ترین فشار در نصب این سیستم، در تبخیر کننده است و این امر باعث جریان یافتن مایع به بالاترین سطح تأسیسات سیستم می گردد. بالاترین فشار در ژنراتور است که باعث مکش پایین ترین سطح سیال به داخل اجکتور میشود. فشار سیستم عمدتا وابسته به نوع مبرد استفاده شده و دما در ژنراتور بخار میباشد. در این سیستم، مبردهایی که در سیکل تراکمی بخار استفاده میشود کاربرد ندارند.
اما آب، الكلها، اترها، هیدروکربن های سنگین تر (پنتان، هگزان، هپنان و اکتان) و برخی حلال های آلی قابل استفاده اند. انتخاب قطر بزرگ برای لوله های مایع، نیاز به فرایند خفگی جریان مبرد را نیز منتفی می کند در ورودی و در داخل فضای تبخیر کننده محدودیت این سیستم قرار گیری تجهیزات آن در اختلاف ارتفاع های خیلی زیاد (به عنوان مثال بیشتر از ۱۰۰ متر و طول زیاد خط لوله است که این امر افت اصطکاکی و تلفات گرمایی را زیاد می کند.
از این رو مفهوم تبريد اجکتوری گرانشی می تواند به یک سیستم چرخشی تبدیل شود. با یک تکنیک مشابه آنچه در یک پمپ سانترفیوژ اتفاق می افتد، با قرار دادن کل تجهیزات سیکل تبرید اجکتوری در یک حرکت چرخشی، می توان اجازه داد که ارتفاع (شعاعی) متناسب با ارتفاع سیستم تبرید اجکتوری گرانشی ایجاد شود.
قراردادن تجهیزات سیکل تبرید در یک حرکت چرخشی اجازه میدهد تا ارتفاع آنها نسبت به سیستم تبرید اجکتوری گرانشی بسیار کمتر شود. این امر یعنی اینکه اجکتور روی یک محور ثابت و مبدل های حرارتی متحدالمرکز در اطراف آن چرخش کنند. مفهوم يخچال گرانشی در شکل ۳ با یک روش ساده به صورت يخچال گردشی نشان داده شده است. در سیکل تبرید گرانشی، به دلیل اختلاف چگالی، مایع به پایین ترین بخش جریان می یابد. اتصالات لوله ای اجازه میدهد مبرد از چگالنده به تبخیر کننده و ژنراتور انتقال یابد. براساس تغییرات دمای محیط، یک جریان برگشتی موضعی از تبخیر کننده به چگالنده و یا از ژنراتور به چگالنده اتفاق می افتد.
با توجه به عدم شیر یک طرفه، جریان بین ژنراتور و تبخیر کننده امکان پذیر است. در قسمتهای بالایی سیستم اجکتور سه فضای پر شده با گاز را به هم متصل می کند. استفاده از سیستم چرخشی سبب آرایش متقارن سطح های مایع میشود (شکل ۲ب). مشابه با سیکل تبرید اجکتوری گرانشی فشار بخار بالاتر، سطح مایع را به بیرون هل داده و فشار بخار پایین تر مایع را به داخل می مکد. فشار كل مبرد در ژنراتور، چگالنده و تبخیر کننده بالانس میشود. شتاب حرکت چرخشی می تواند مهم باشد؛ اما توزیع فشار در امتداد و همواره تابعی خطی و در طول یک تابع درجه دوم است.
در شکل ۴ یک ساختار ساده سیکل تبرید اجکتوری گرانشی – چرخشی نمایش داده شده است. مبدلهای حرارتی با آرایش شكل ۳ نصب شده اند. سیستم یک سیلندر چرخان است. در این سیستم سه مسیر جریان بخار آنجا وجود دارد.
1. بخار خارج شده از ژنراتور به لوله اجکتور جریان می یابد.
۲. بخار از تبخیر کننده به داخل اجکتور کشیده میشود.
٣. سیال مخلوط به چگالنده منتقل و چگالیده می شود.
٣. سیستم تبرید با دو اجکتور
به منظور حذف پمپ در سیستم تبرید اجکتوری، یک سیکل تبرید دو اجکتوری پیشنهاد می شود. یک اجکتور گاز – مایع استفاده میشود تا جایگزین پمپ گردد. این اجکتور، فشار مایع چگالیده را بالا برده و آن را به کمک یک سیال فشار بالا، که از ژنراتور آمده است، به ژنراتور برمی گرداند. در شکل ۵ ساختار سیستم نمایش داده شده است. سه حلقه در این سیستم وجود دارد.
حلقه اول دریافت کننده و جذب کننده انرژی است که شامل جمع کننده های خورشیدی، ژنراتور و یک پمپ گردش سیال است. نقش این حلقه این است که انرژی را به وسیله کلکتورهای خورشیدی جمع و آن را به گرما تبدیل و به ژنراتور منتقل می کند. حلقه دوم، که سیکل محرک هم نامیده می شود شامل دو جزء ژنراتور و اجکتور گاز – مایع است.
در ژنراتور، مبرد با جذب گرما از حلقه اول تبخیر میشود. بخار مبرد سیال محرک برای هر دو اجکتور حلقه دوم و حلقه سوم است. در اجکتور گاز – مایع، سیال محرک به سرعت فراصوت میرسد و یک ناحیه کم فشار در محفظه مکش اجکتور ایجاد می شود. میرد مایع از سیکل تبرید (حلقه سوم) به داخل اجکتور کشیده میشود.
در محفظه اختلاط اجکتور گاز – مایع، سیال محرک (که از ژنراتور آمده) چگالیده میشود و با مایع کشیده شده به داخل اجکتور مخلوط می گردد. چون فشار خروجی می تواند بزرگتر از فشار سیال محرک باشد، مبرد خروجی از اجکتور گاز – مایع به ژنراتور باز می گردد. دلیل اینکه فشار خروجی از اجکتور گاز – مایع می تواند از فشار محرک بالاتر رود این است که در واقع یک مقدار زیادی حرارت ناشی از چگالیده شدن بخار ورودی اولیه به اجکتور) می تواند به کار مکانیکی تبدیل شود که برای پمپ کردن مایع استفاده میشود.
از این منظر یک اجکتور گاز – مایع، معادل توربینی است که محرک پمپ می باشد؛ یعنی انرژی حرارتی بخار در توربین استفاده میشود تا کار توربین به پمپ داده شود و فشار مایع در پمپ افزایش یابد . اما اختلاف اساسی اجکتور گاز – مایع با توریین – پمپ این است که در سیستم اول هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد. حلقه سوم، شامل یک اجکتور گاز – گاز، کندانسور، شیر اختناق و تبخیر کننده است.
سیال محرک در اجکتور، بخار مبردی است که از ژنراتور آمده است. این سال در اجکتور باعث مکیده شدن مبرد فشار پایین از تبخیر کننده میشود. مبرد چگالیده شده در کندانسور به دو قسمت تقسیم می شود: یک بخش از جریان به داخل اجکتور گاز – مایع مکیده میشود و بخش دیگر از طریق یک شیر اختناق به تبخیر کننده وارد میشود. مبرد در سیکل تبرید حرارت را جذب کرده و در اواپراتور تبخیر می شود تا سیکل تبرید کامل گردد.
4. سیستم تبريد اجکتوری با اثر پمپاژ حرارتی
یک سیستم تبريد اجکتوری می تواند از یک ژنراتور چند منظوره استفاده کند تا پمپ مکانیکی را حذف کند. ژنراتور چندمنظوره هم نقش پمپ و هم نقش ژنراتور بخارتولید کننده بخار را دارد. دیاگرامی از سیستم تبرید اجکتوری با ژنراتور چند منظوره در شکل ۶ نشان داده شده است. در این سیستم دو ژنراتور وجود دارد. هر ژنراتور شامل یک تولید کننده بخار و یک محفظه تخلیه است. تولید کننده بخار یک مبدل حرارتی شبیه بویلرهای متداول برای فشارسازی و تولید بخار است. دو ژنراتور از طریق دو سوئیچ ولو (V۵A وVB) و چهار شیر یک طرفه به صورت متقابل عمل می کنند. عملکرد هر ژنراتور به چهار فاز شامل تحت فشار قرار دادن، تخلیه بخار، کاستن فشار و ورود مایع تقسیم شود. در حالی که ژنراتور A در فشار پایین کار می کند، آب وارد می شود و فشار سازی در بویلر انجام میشود (در این حالت ژنراتور B در فاز تخلیه بخار کار می کند. اثر سرمایش (سیکل تبرید) در فاز تخلیه بخار به وجود می آید. در فاز فشار سازی (یا سوئیچ ولو بسته)، بخار تولید شده گرم می شود. فشار در کل ژنراتور تا سطحی که برای تحریک اجکتور نیاز است بالا میرود. سوئیچ ولو سپس باز میشود تا بخار به اجکتور تخلیه شود و ژنراتور به
فاز تخلیه بخار وارد شود. در این حال اجکتور کار می کند و عمل سرمایش انجام می شود. وقتی فشار ژنراتور کاهش یافته و به سطحی برسد که دیگر نمی تواند به عنوان سیال محرک در اجکتور عمل کند، فاز تخلیه تمام میشود. این عمل وقتی اتفاق می افتد که ژنراتور تقریبا خالی است. ژنراتور سپس وارد فاز کاستن فشار می شود که در این موقع سوئیچ ولو بسته و محفظه تخليه سرد میشود.
فشار تا اندازه ای کاهش می یابد که مایع را مجبور می کند از کندانسور برگردد. در این موقع ژنراتور وارد فاز ورود مایع با سوئیچ ولو بسته می شود؛ در حالی که محفظه تخلیه هنوز در حال سردشدن است. این کار یک سیکل را برای ژنراتور کامل می کند.
عملکرد دو ژنراتور در شكل ۷ برای چهار فاز بیان شده نمایش داده شده است. برای هر فاز اشاره شده در بالا، هر کدام از ژنراتورها فقط نصف سیکل ایجاد سرمایش را ایجاد کرده و نصف دیگر را ژنراتور دیگر انجام میدهد. از اینرو لازم است دو ژنراتور کوپل شوند که به طور پیوسته سیکل تبرید کار کند. در این سیستم تبرید، سیستم کنترلی برای باز کردن و بستن شیرها (دوره زمانی برای فازهای قید شده) بسیار مهم است. شکل ۸ ساختار سیکل تبرید اجکتوری با ژنراتور چند منظوره را نشان میدهد.
5-لوله حرارتی و سیستم تبريد اجکتوری
یکپارچه کردن لوله حرارتی و یک اجکتور، یک سیستم فشرده با عملکرد بالا را نتیجه میدهد که به پمپ نیز نیاز نیست. این سیستم می تواند از انرژی خورشیدی با منابع ترکیبی استفاده کنند و درخواست برای الکتریسیته کاهش یافته (یعنی الكتریسیته کمتر مصرف می شود و در نتیجه مصرف سوخت های فسیلی کم می شود. سیکل پایه لوله حرارتی / سیستم تبرید اجکتوری در شکل ۹ نشان داده شده است. سیستم شامل یک لوله حرارتی، اجکتوره تبخیر کننده و شیر انبساط است. گرمای پتانسیل پایین (مثل گرمای خورشیدی) در ژنراتور به سیستم اضافه میشود.
به کمک این گرما سیال عامل تبخیر شده و در داخل نازل اولیه اجکتور جریان می یابد. این سیال داخل نازل اجکتور منبسط می شود و کمک میکند تا فشار در تبخیر کننده کاهش یابد و لذا سیکل تبرید کامل میشود. بخشی از سیال عامل با عمل فتیله ای به ژنراتور برمی گردد؛ در حالی که بقیه سیال در داخل شیر انبساط منبسط می شود و به تبخیر کننده می رود. برخلاف دیگر سیستم های تبرید تراکمی که از انرژی الکتریکی در اجزای سیکل استفاده می کنند؛ سیستم لوله حرارتی و سیستم تبريد اجکتوری به هیچ جریان الکتریکی ورودی نیاز ندارد.
6. نتیجه گیری
در مقایسه ای کلی بین سیکل اجکتوری و جذبی می توان گفت هرچند سيستمهاي تبريد اجکتوري ضریب عملکرد پایین تری دارند؛ اما تجهیزات کمتر، عدم نیاز به روغنکاری و در نتیجه نگهداری آسان از ویژگیهای متمایز سیکل های اجکتوری است. همچنین امکان استفاده از سیالات عامل سازگار با محیط زیست مانند آب نیز مهم ترین مشخصه آن است. اما به دلیل ضریب عملکرد نسبتا پایین سیستم تبرید اجکتوری و استفاده از پمپ در این سیستم، تلاش ها در جهت ارتقای ضریب عملکرد سیستم و حذف پمپ از آن میباشد. در این مقاله چهار روش استفاده از اجکتورهای گرانشی و گرانشی چرخشی، سیستم تبرید با دو اجکتور،سیستم تبرید با اثر پمپاژ حرارتی و سیستم تبرید همراه با لوله حرارتی برای حذف پمپ بررسی شد.
نصب تجهیزات سیستم در ارتفاع مختلف و گردشی بودن مبدل های حرارتی حول اجکتور از مشخصات روش اول است که باعث پیچیدگی سیستم می شود. سیستم دوم نیز چون دارای دو اجکتور است دارای ضریب عملکرد پایین میباشد. در سیستم سوم سیستم کنترلی برای باز کردن و بستن شیرها دوره زمانی برای فازهای مختلف سیکل بسیار مهم است و باید به طور دقیق مشخص شود. سیستم چهارم (سیستم تبرید همراه با لوله حرارتی) هیچ کدام از معایب سه سیستم دیگر را ندارد و عملکرد آن نیز بسیار ساده میباشد.
دیدگاهتان را بنویسید