مجله تاسیسات

سیکل تبرید تراکمی دو مرحله ایی و بررسی اثر مبرد بر آنها

بررسی اثر مبرد بر سیکل های تبرید تراکمی دو مرحله ای
احمدرضا رحمتی ، محمد دریکوند ، آرمین امامی فر
استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان
کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان کاشان
 مریی، گروه مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه آیت ا… بروجردی

چکیده

در کار حاضر تأثير مبرد بر ضریب عملکرد یک سیکل تبرید تراکمی دو مرحله ای دارای مخزن تفکیک مورد بررسی قرار گرفته است، به این منظور برای فشار میانی مقدار ثابت ۶۰۰ کیلوپاسکال در نظر گرفته شده است که بر اساس آن فشار خروجی کمپرسور ۱ تعیین می شود. برای محاسبه ضریب عملکرد سیکل، دمای اواپراتور 238/15 ، 244/15، 248/15 کلوین و فشار کندانسور 700،900، 1200، 1500 و 1800کیلوپاسکال در نظر گرفته شده است. در این سیکل هفت نوع مبرد مختلف مطالعه شده و با توجه به ضریب عملکرد و همچنین با لحاظ اثرهای زیست محیطی و کار کمپرسورها مبرد بهینه انتخاب و معرفی می شود. نتایج نشان می دهد که مبرد R۱۲۵ دارای بهترین ضریب عملکرد تا فشار و 1500کیلوپاسکال است، با این حال با توجه به کار کمپرسورها و ضریب عملکرد سیکل. استفاده از مبردهای R717 و R290 مناسب به نظر می رسد، استفاده از مبرد R۷۱۷ با توجه ضریب های پتانسیل گرمایش زمین و تخریب لایه ازن، از نظر زیست محیطی مناسب است. از دیدگاه ضریب عملکرد، کار مصرفی کمپرسورها و اثرهای زیست محیطی استفاده از مبرد R۷۱۷ توصیه می شود.

مقدمه

هنگامی که گستره ی دمایی بین محیط سرد و گرم وسیع است سیکل های تبرید یک مرحله ای دیگر توانایی ایجاد سرمایش مورد نیاز را نخواهند داشت و از سیستم های تبرید چند مرحله ای استفاده خواهد شد. معمولا در صنایع برای دستیابی به دماهای پایین تر از صفر از سیکل تبرید تراکمی چند مرحله ای استفاده می شود. این نوع سیکل ها بیشتر در صنعت های مواد غذایی و لبنی مورد استفاده قرار می گیرند. البته باید سعی شود ضریب عملکرد بهتری و همچنین بهینه تری برای این سیکل ها ایجاد نمود. یکی از موارد ضروری تبرید که با توجه به گرمایش زمین و آسیب به لایه ازن باید در نظر گرفت، خطرهای زیست محیطی مبردها است .در این زمینه تحقیقات تئوری و آزمایشگاهی بسیاری انجام گرفته است که در ادامه برخی از آنها معرفی می شوند.

آپریا و رئو در طی یک تحقیق به منظور پیدا کردن جایگزین مناسب برای مبرد R۲۲ تلاش کردند و نتیجه آن استفاده از مبرد مخلوط R۴۱۷a شد . میشرا و همکاران نیز در تحقیقی به دنبال جایگزینی برای مبرد R۲۲ از مبردهای R۴۰۷C ، R۴۱۰a ، R۱۳۴a و M۲۰ استفاده کردند و به این نتیجه رسیدند که مبرد R۴۰۷C بهترین جایگزین برای R۲۲ است.

میشرا در تحقیقی دیگر در یک سیکل تبرید تراکمی، از میرد R۱۳۴a به عنوان فاز اصلی و نانوسیال A2O3 استفاده کرد و به این نتیجه رسید که با استفاده از نانوسیال ۱۷ الی ۲۰ درصد عملکرد سیکل تبرید تراکمی بهترخواهد شد . سونی و گوتپا در تحقیقی بین مبردهای R۴۰۷CR۴۰۴ و R۴۱۰ به این نتیجه رسیدند که R407C دارای ضریب عملکرد بهتری برای سیکل های تبرید تراکمی تک مرحله ای دارای مبدل حرارتی مایع – بخار است. صالح در تحقیقی دیگر به بررسی پارامترهای موثر بر ظرفیت سیکل های تبرید تراکمی دو مرحله ای پرداخت [1] پانگ و همکاران به منظور بهبود این نوع سیکل ها دست به طراحی جدید و تغییراتی در سیکل ها تبرید تراکمی زدند  شریف” و همکاران نیز در یکی از جدیدترین تحقیقات اقدام به استفاده از نانوسیال در سیکل های تبرید تراکمی کردند و به بررسی میزان تاثیر آن بر عملکرد این نوع سیکل ها پرداختند [۹] در پژوهش های یادشده تنها به راه کارهایی جهت بهبود ضریب عملکرد سیکل پرداخته شده است اما با توجه به این که بسیاری از مبردها برای لایه ازن و گرمایش زمین مضر هستند و استفاده از آنها به محیط زیست جهانی آسیب می رساند در پژوهش حاضر مبردی معرفی می شود که در هر دو راستای ضریب عملکرد سیکل و شرایط زیست محیطی مناسب استفاده در سیکل های تبرید تراکمی دو مرحله ای باشد.

تئوری

در شکل ۱ سیکل تبرید تراکمی دو مرحله ای دارای مخزن تفکیک نشان داده شده است. فشار ورودی و خروجی، در اواپراتور و کندانسور ثابت است و کمپرسورها آیزنتروپیک در نظر گرفته شده اند. نقطه ۱ که خروجی اواپراتور و ورودی کمپرسور است، بخار اشباع در نظر گرفته شده است نقطه ۲ که خروجی کمپرسور ۱ است در حالت بخار مافوق گرم وارد مخزن تفکیک می شود. سپس نقطه 3 که ورودی کمپرسور ۲ است به صورت بخار مافوق گرم وارد کمپرسور ۲ خواهد شد و سپس طی یک فرآیند آنتروپی ثابت به صورت نقطه ۴ وارد کندانسور خواهد شد بعد از آن طی یک فرآیند فشار ثابت به صورت نقطه ۵ در حالت مایع اشباع از کندانسور خارج خواهد شد و سپس مقداری از آن پس از عبور از شیر اختناق طی فرآیندی آنتالپی ثابت به صورت نقطه ۶ در حالت دو فازی وارد مخزن تفکیک خواهد شد و مقدار بیشتر آن طی فرآیندی آنتالپی ثابت به صورت نقطه ۷ در حالت دوفازی وارد اواپراتور می شود. نمودار P – h این سیکل نیز در شکل ۲ نمایش داده شده است.

 معادلات حاکم

در این پژوهش ظرفیت تبرید مورد نظر سیکل kW ۱۰۰ در نظر گرفته شده است، دمای اواپراتور به 238/15،244/15،248/15 کلوین تغییر داده خواهد شد، فشار میانی (نقاط ۳،۲ و ۶) را kPa 600 به صورت ثابت در کل مراحل در نظر گرفته شده است و فشار کندانسور از kPa ۷۰۰ تا kPa۱۸۰۰ تغییر می کند. لازم به ذکر است که نرم افزار مورد استفاده در این تحلیل EES است. در مدل سازی سیکل هر کدام از اجزای سیکل به صورت یک حجم کنترل در نظر گرفته می شود. معادلات حاکم بر تحقیق به صورت زیر است در جدول ۱ هرکدام از پارامترهای معادله ها معرفی شده است.

پس از به دست آوردن مقادیر با استفاده از تئوری ذکر شده و فرض های بادشده، با استفاده از معادله (۶) به راحتی می توان rn1را محاسبه نمود، سپس با استفاده از معادله های (۱)، (۲)، (۳) (۴)، (۵) و جایگذاری در معادله (۷)، مقادیر rn6 و rn۳ به دست می آیند، حال با جایگذاری در معادله های (۸) و (۹) می توان فریب عملکرد را با استفاده از معادله (۱۰) محاسبه کرد. به همین طریق می توان نتایج را برای مبردهای مختلف به دست آورد.

با توجه به اینکه در ادامه به میزان پتانسیل تخریب ازن ۱۷ و پتانسیل گرمایش زمین ۱۸ مبردهای مختلف نیاز هست و از نظر زیست محیطی این معیارها بسیار مهم هستند، مقادیر آنها در جدول ۲ ذکر شده است.

نتایج

در این قسمت ضریب عملکرد و کار مصرفی کمپرسورها بر حسب تعبير های فشار کندانسور و دمای اواپراتور با استفاده از نرم افزار EES به دست آمده و نتایج آنها به صورت نمودار، در شکل های زیر رسم شده است.

لازم به ذکر است که برای همه فشارهای مختلف کندانسور نمودار میزان کار مصرفی کمپرسور 1 به صورت شکل ۶ است زیرا طبق فرض های مسئله گاز مصرفی کمپرسور 1 تنها وابسته به دمای اواپراتور است. اما نمودار کار مصرفی کمپرسور ۲ به صورت بالا نیست زیرا میزان کار آن به فشار کندانسور وابسته است. کار مصرفی کمپرسور ۲ در فشارهای مختلف کندانسور برای دماهای پادشده اواپراتور در شكل ۸و۷ و ۹ آمده است.

نتیجه گیری و پیشنهاد

۱. با توجه به شکل های ۳، ۴ و ۵ می توان مشاهده کرد که در تمامی دماهای اواپراتور با افزایش فشار کندانسور ضریب عملکرد سیکل کاهش چشمگیری می کند. به همین دلیل توصیه می گردد فشار کندانسور نزدیک به فشار میانی انتخاب شود.

۲. با توجه به شکل های ۴و۳ و ۵ با کاهش دمای اوپراتور در همان فشار ضریب عملکرد کاهش می یابد. به صورت نمونه برای میرد R۱۲۵ در فشار kPa ۷۰۰ در دماهای 284/15 و 238/15کلوین اواپراتور ضریب عملکرد به ترتیب تقریبا برابر 8 و 5/3 است.

 ٣. با توجه به شکل ۳ میتوان گفت مبرد R۱۲۵ تا فشار kPa ۱۵۰۰ دارای بهترین ضریب عملکرد است، و این نتیجه را نیز می توان برای شکل ۴ تا فشار kPa ۱۴۰۰ و برای شکل ۵ تا فشار kPa۱۳۰۰ تعمیم داد. این مبرد با توجه به جدول ۲ تهدیدی برای لایه ازن ندارد اما پتانسیل گرمایش بالایی برای زمین دارد و همین سبب می شود که مبرد مناسبی برای این سیکل لحاظ نگردد البته در صورت نیاز کارکرد در فشارهای پایین کندانسور دارای کارآیی بهتری نسبت به سایر مبردها است.

 ۴، مبرد R۲۲ که ضریب عملکرد قابل قبولی دارد و در شكل ۵ همان طور که مشاهده می شود در فشار بالای کندانسور در رده ی مبردهایی است که دارای ضریب عملکرد بالایی است اما با توجه به جدول ۲ مشاهده می شود که تهدید آن برای لایه ازن و گرمایش زمین در بازه میانی است اما انتخاب این مبرد نیز توصیه نخواهد شد.

 ۵. مبرد R۷۱۷ که ضریب عملکرد آن همان طور که در شکل های 3و4 و 5مشاهده می گردد در فشار kPa ۷۰۰ نسبت به بقیه مبردها مناسب به نظر نمی رسد اما در ادامه و در فشارهای بالاتر مخصوصأ kPa۱۳۰۰ به بعد تقریبا بی رقیب به نظر می رسد. همچنین جدول ۲ نشان مي دهد این مبرد هیچ خطری را متوجه ازن و گرمایش زمین نمی کند، در نتیجه می توان گفت این مبرد از نظر زیست محیطی برای این سیکل مناسب است.

۶. در ادامه شاید با توجه به جدول ۲ یکی از کاندیدای مبرد مورد استفاده این سیکل، مبرد R۲۹۰ است اما این مبرد با توجه به خطر بسیار کمی که برای محیط زیست دارد طبق شکل های ۴۰۳ و ۵ در فشارهای بالای کندانسور بهترین عملکرد را ندارد.

۷, مبرد R۱۵۲a با اینکه، با توجه به جدول ۲ تهدید آنچنانی برای محیط زیست محسوب نمی شود اما با توجه به شکل های ۴و۳ و ۵ دارای ضریب عملکرد بسیار پایینی است.

 ٫۸ استفاده از مبردهای R۱۲ و R۱۳۴a با توجه به تهدید بودن برای محیط زیست و دارا بودن ضریب عملکرد پایین، خصوصا مبرد R۱۲

چندان مناسب به نظر نمی رسد.

9-با توجه به شکل های ۱، ۲ و ۳ میتوان بیان نمود که مبرد R۲۹۰ در دمای ۲۳۸٫۱۵ کلوین و فشار 700 در همان دما نسبت به سایر حالات ضریب عملکرد بهتری نسبت به سایر مبردهای دیگر داشته است به بیان دیگر کاهش دمای اواپراتور تأثیر کمتری بر این مبرد داشته است.

 ۱۰. همان طور که از نتایج قابل مشاهده است اگر به هر دلیل باید مبردی از میان مبردهای R۱۳۴a R۱۲ و R۱۵۲a انتخاب شود، با توجه به اینکه همه ی آنها دارای ضریب عملکرد تقریبا یکسانی هستند، و با توجه به جدول ۲ استفاده از مبرد R۱۵۲a توصیه می شود زیرا ضریب تخریب ازن آن صفر است و ضريب گرمایش زمین آن نسبت به مبردهای نامبرده کمتر است و برای محیط زیست مناسب تر خواهد بود.

 ۱۱. با استفاده از شکل ۶ می توان نتیجه گرفت که کار کمپرسور ا تنها به دمای اواپراتور بستگی دارد و با کاهش دمای اواپراتور میزان کار مصرفی کمپرسور ۱ افزایش خواهد یافت یا به بیانی ساده تر برای ایجاد سرمایش بیشتر کمپرسور باید بیشتر کار کند.

۱۲, همانگونه که از شکل ۶ پیداست در همه حالت های مختلف فشار کندانسور و دمای اواپراتور، به ترتیب بیشترین و کمترین کار مصرفی کمپرسور ۱ مربوط به مبردهای R۱۵۲a و R۱۲۵ است.

۱۳. از مقایسه شکل های ۷، ۸ و ۹ می توان درک کرد که در همه ی فشارهای کندانسور، شیب نقطه های کار مصرفی کمپرسور ۲ هر مبرد یکسان است (شكل ۷، ۸ و ۹ مشابه هستند ولی مقادیر هر نقطه در شکل های یاد شده متفاوت است زیرا کار مصرفی کمپرسور ۲ متناسب با تغییرات فشار است.

۱۴. با استفاده از شکل های ۷، ۸ و ۹ با افزایش فشار کندانسور میزان کار کمپرسور ۲ برای هر مبرد افزایش خواهد یافت.

۱۵. با استفاده از شکل های ۷، ۸ و ۹ میتوان بیان نمود با کاهش دمای اواپراتور میزان کار مصرفی کمپرسور ۲ برای هر مبرد افزایش می یابد.

 ۱۶. با توجه به شکل های ۷، ۸ و ۹ می توان دریافت که بیشترین و کمترین کار مصرفی کمپرسور ۲ به ترتیب مربوط به مبردهای R۱۲ و R۷۱۷ است .

۱۷. از مقایسه شکل ۶ با شکل های ۷، ۸ و ۹ نتیجه می شود که ضریب عملکرد مبرد R۷۱۷ با توجه به کار مصرفی کمپرسور 1 کاهش یافته و در واقع کار مصرفی کمپرسور ۲ برای این مبرد سبب بهبود ضریب عملکرد آن شده است و همان گونه که در نتایج قبلی هم بیان شد، در واقع نشان دهنده این است که این مبرد در فشارهای بالا عملکرد بهتری دارد و این نشان می دهد که از نظر کار مصرفی استفاده از این مبرد بهتر به نظر می رسد زیرا کار مصرفی کمپرسور ۲ با استفاده از آن بسیار کاهش می یابد.

۱۸. همان طور که از شکل های ۷،۶، ۸ و ۹ پیداست مبرد R۱۲۵ کمترین میزان کار مصرفی کمپرسور ۱ را داراست اما میزان کار مصرفی

کمپرسور ۲ با استفاده از آن افزایش می یابد که باز این نکته از نظر کار مصرفي مقرون به صرفه بودن این مورد را نشان می دهد زیرا میزان کار مصرفی کمپرسور 1 با استفاده از این مورد بسیار کاهش می یابد. با توجه به موارد بیان شده در مبرد R۷۱۷ و R۱۲۵ از نظر کار مصرفی کمپرسورها مناسب هستند. اما از نظر شرایط زیست محیطی استفاده از مبرد R۷۱۷ در سیکل های تبرید تراکمی دو مرحله ای توصیه می شود .

مجله علمی انجمن مهندسان مکانیک ایران