توضیحات
آموزش ویدیویی پروژه سیستم تبرید تراکم بخار ایده آل و غیر ایده آل(واقعی) با مبرد R-134a در نرم افزار EES+فایل های پروژه
شرح پروژه:
در این پروژه آموزش ویدیویی سیستم تبرید تراکم بخار ایده آل و غیر ایده آل(واقعی) با مبرد R-134a در نرم افزار EES انجام شده است. روابط مورد نیاز با کدنویسی در نرم افزار EES حل شده اند. در این پروژه علاوه بر آموزش ویدیویی در نرم افزار EES، فایل های پروژه و گزارش فارسی پروژه را نیز دریافت خواهید کرد.
سیستم تبرید تراکم بخار ایده آل:
در این پروژه سیستم تبرید تراکم بخار ایده آل با مبرد R-134a در نرم افزار EES انجام شده است. سیکل تبرید تراکم بخار ایده آل موردنظر از مبرد R-134a به عنوان سیال عامل استفاده می کند. سیستم تبرید 300 کیلوژول بر دقیقه است و مبرد به صورت بخار اشباع در فشار 140 کیلوپاسکال وارد کمپرسور می شود و تا فشار 800 کیلوپاسکال متراکم می شود. تعیین کنید (الف) کیفیت مبرد در انتهای فرآیند خفانش(throttling)، (ب) ضریب عملکرد(COP)، (ج) توان ورودی کمپرسور، (د) با فرض اینکه فشار اواپراتور از 100 تا 400 کیلوپاسکال تغییر کند، ضریب عملکرد و توان ورودی را محاسبه کنید، (ه) نمودار ضریب عملکرد( COP) و توان ورودی را در مقابل فشار اواپراتور رسم نمایید.
سیستم تبرید تراکم بخار غیر ایده آل:
در این پروژه سیستم تبرید تراکم بخار غیر ایده آل با مبرد R-134a در نرم افزار EES انجام شده است. سیکل تبرید تراکم بخار ایده آل موردنظر از مبرد R-134a به عنوان سیال عامل استفاده می کند. سیستم تبرید 300 کیلوژول بر دقیقه است و مبرد به صورت بخار اشباع در فشار 140 کیلوپاسکال وارد کمپرسور می شود و تا فشار 800 کیلوپاسکال متراکم می شود. با فرض اینکه راندمان ایزنتروپیک برای کمپرسور برابر 85 درصد باشد. تعیین کنید (الف) کیفیت مبرد در انتهای فرآیند خفانش(throttling)، (ب) ضریب عملکرد(COP)، (ج) توان ورودی کمپرسور، (د) نرخ تخریب اگزرژی مرتبط با فرآیند تراکم، دمای حالت مرده را برابر 298 کلوین درنظربگیرید.
مدت فیلم آموزشی: 1 ساعت و 16 دقیقه
**توجه**
**تمامی فیلم های آموزشی با کیفیت بالا و بدون رکورد صدا توسط پژوهشگران مجموعه انسیس سی اف دی ضبط و تهیه شده اند**
تبرید(Refrigeration):
به فرآیندي که در آن گرما دفع میشود تا در طی آن، دماي یک جسم یا فضایی مشخص پایینتر از دماي محیط نگه داشته شود، تبرید گفته میشود. ماده جاذب حرارت که به عنوان واسطه عمل میکند مبرد یا ماده سرمازا یا سردساز(Refrigerant) نامیده میشود که دماي آن همواره از دماي فضاي سرد شونده کمتر است. جذب حرارت توسط مبرد مایع و در نتیجه تبخیرآن، اساس کار سیستمهاي تبرید است.
تاریخچه تبرید:
ده ها قرن پیش انسان ها میدانستند که عمل تبخیر اثر سرمایشی ایجاد میکند. درواقع آنها از همان ابتدا نمیدانستند که چه فرضیهای را به کار میگیرند اما میدانستند که هر قسمتی از بدن که مرطوب میشود، اگر در مقابل جریان هوا قرار گیرد، خنک میگردد. از ابتداي قرن دوم میلادي در مصر از عمل تبخیر جهت خنک کردن کوزه ها استفاده میشد و هندي ها با این عمل یخ درست میکردند. در اروپا، آمریکا و ایران تعدادي خانه یخی براي ذخیره سازي یخ ساخته شدند. این خانه هاي ذخیره سازي یخ از عایقهایی نظیر خاك اره یا پوشال چوب پوشانده میشدند. در ایران بیش از ٢٠٠٠ سال پیش سیستم ترکیبی سرمایشی طبیعی شامل هواي سرد شب و سیستم تبخیري آب نما شرایط آسایش را در ساختمان هاي تخت جمشید، فراهم میآورد.
اما نخستین تلاش براي تولید تبرید مکانیکی که به اثر سرمایشی تبخیر آب وابسته بود توسط ویلیام کولن(William cullen) فیزیکدان اسکاتلندي در سال ١٧٥٥ انجام شد. او به دماي به اندازه کافی پایین جهت تولید یخ دست یافت. کولن این کار را به وسیله کاهش فشار آب روي یک ظرف بسته با یک پمپ هوا انجام داد. در فشارهاي پایین، مایع در دماي پایین تبخیر یا جوشیده میشود. حرارت لازم جهت اینکه قسمتی از آب از مایع به بخار تغییر فاز دهد از باقی مانده آب به دست میآید و حداقل بخشی از آب باقی مانده به یخ تبدیل میشود. در سال ١٨٣٤ ژاکوپ پرکینز(Jacob Perkins) یک آمریکایی مقیم انگلستان یک ماشین تبرید تراکمی شامل یک کمپرسور و یک لوله را بر مبناي تبخیر تحت عمل کاهش فشار ساخت از این ماشین جهت تولید قطعات کوچک یخ اما نه به صورت تجاري استفاده میشد. به دلیل افزایش تقاضا حدود ٣٠ سال بعد با ورود مبردهاي جدیدي نظیر آمونیاك و دي اکسیدکربن که مناسبتر از آب و اتر بودند تاریخ تبرید وارد فاز جدیدي شد.
این مبردها توسط فارادي و تیلور و دیگران ساخته شدند. باید گفت پیش زمینه تئوریک براي ساخت ماشینهاي تبرید تراکمی توسط رامفورد و دیوي که طبیعت حرارت را تشریح کرده بودند و ژول(Joule) و رانکین(Rankine) که بحث کار و انرژي را پایهگذاري کردند و بالاخره سعدي کارنو(Sadi Carrnot) در فرموله کردن علم ترمودینامیک انجام شد.
ماشینهاي تبرید در سال هاي ١٨٥٠ تا ١٨٨٠ ارائه شدند و آنها را میتوان بر حسب نوع مبرد طبقه بندي کرد. ماشینهایی که از هوا به عنوان مبرد استفاده میکنند، ماشین تراکم-هوا یا هوا-خنک نامیده میشوند و نقش قابل توجهی در تاریخ تبرید ایفا کرده اند. جان گوریه یک ماشین هوا-خنک تجاري واقعی را طراحی نمود و آن را در سال ١٩٥٠ در انگلستان و در سال ١٩٥١ در آمریکا ثبت کرد. یکی از اولین ماشینهاي تراکم بخار توسط الکساندر توینگ در سال ١٨٥٣ اختراع و ثبت شد. وي با استفاده از این سیستم در کلیلوند و اوهایو کارخانه تولید یخ تأسیس کرد که میتوانست در طول روز نزدیک یک تن یخ تولید کند. بعد از آن تعدادي دیگر از مخترعان ماشینهاي تراکم بخار که از اتر یا ترکیبات آن استفاده میکردند، را آزمایش کردند. الکساندر کاریک(Alexander C. kirk) در سال ١٨٦٢ یک ماشین تبرید چرخه بسته را طراحی نمود. در سال ١٨٦٠دانشمند فرانسوي کاره(Carre) ماشین تراکم اتر را توسعه داد و ساخت. لینده(Linde) با نشان دادن نحوه محاسبه و بهبود بازده ترمودینامیکی ماشینآلات، راه را براي پیشرفت هاي بیشتر هموار نمود. مخترعان همچنین ماشینهاي تراکمی را با آمونیاك که براي سالها محبوبترین مبرد بود و به طور گسترده مورد استفاده قرار میگرفت، آزمایش کردند. در سال ١٨٦٠ چارلز تیلر(Charles Tellier) ماشین تراکم آمونیاك را توسعه داد. یک سال بعد فردیناند کاره (Ferdinand Carre) سیستم جذبی را اختراع کرد و در همان سال در آمریکا ثبت نمود. این سیستم را اولین بار آمریکا در طول جنگ و پس از قطع امکان تهیه یخ طبیعی از شمال به کار گرفت. در این سیستم یک پمپ دستی وجود داشت که میتوانست در مدت زمان ٥ دقیقه یک بخش از آب را به یخ تبدیل کند.
در سال ١٨٧٢ دیوید بویل(David Boyle) تجهیزات قابل قبولی براي تولید یخ ساخت و آن را در سال ١٨٧٢ در آمریکا ثبت نمود. با این وجود مهمترین چهره در توسعه ماشینآلات تراکم آمونیاك، لینده بود. استفاده از مبرد آمونیاك در ماشینهاي تبرید تراکم یک قدم رو به جلو بود. علاوه بر مزایاي ترمودینامیکی آن، فشاري که لازم داشت به آسانی تولید میشد و ماشینآلاتی که استفاده میشدند میتوانست اندازه شان کوچک باشد. در سال ١٨٧٥ پیکت(Pictet) در دانشگاه جنوا یک ماشین تراکم که از اسید سولفوریک استفاده میکرد را معرفی کرد. در سال ١٨٦٦ لو(Lowe) تجهیزاتی که از دي اکسید کربن استفاده میکردند را ارتقا داد. در سال هاي ١٨٨٠تا ١٨٩٠ تاسیسات تراکم آمونیاك بسیار رایج شدند.
سیستم تبرید(Refrigeration System):
سیستم تبرید جهت انتقال گرما از محیط با دماي پایین به محیط با دماي بالا مورد استفاده قرار میگیرد. شکل1 طرح یک سیکل تبرید تراکم بخار را نشان میدهد. در سیکل های تبرید تراکم بخار که اغلب متداول هستند، سیال عامل(مبرد) به صورت بخار وارد کمپرسور میشود و تا فشار کندانسور متراکم میگردد. مبرد(Refrigerator) با دماي بالا در کندانسور(Condensor) با دفع گرما به محیط با دمای بالا (TH) سرد میشود و به صورت مایع وارد شیر انبساط (Expansion valve) میشود و در آن منبسط میگردد، لذا فشار و دماي مبرد کاهش می یابد. مبرد در ورودي اواپراتور یا تبخیرکننده(Evaporator) به صورت مخلوطی از بخار و مایع است. این مخلوط زمانی که در داخل اواپراتور جریان دارد از محیط با دماي پایین(TL) گرما جذب میکند. سپس مبرد به صورت بخار از اواپراتور خارج میشود و وارد کمپرسور میگردد و سیکل یا چرخه تبرید کامل می شود. دیاگرام چرخه در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل سیکل تبرید تراکم بخار.
شکل طرح ساده سیکل تبرید.
موازنه انرژي براي سیکل تبرید بر پایه قانون اول ترمودینامیک به صورت زیر میباشد.
(1)
در رابطه مذکور QH ، QL و W به ترتیب گرمای دفع شده از کندانسور، گرمای جذب شده در اواپراتور، و کار ورودی به کمپرسور می باشند.
شاخص بازده براي سیکل تبرید، ضریب عملکرد حرارتی(COP) که به صورت نسبت انرژي جذب شده از فضاي سرد به کار ورودي کمپرسور تعریف میشود.
(2)
که با توجه به رابطه(1) به صورت زیر نیز بیان میشود.
(3)
سیکل کارنو معکوس(Reversed Carnot Cycle):
سیکل کارنو(Carnot Cycle) یک سیکل کاملاً برگشت پذیر است که شامل دو فرآیند برگشت پذیر ایزوترمال و دو فرآیند برگشت پذیر ایزنتروپیک می باشد. این سیکل دارای ماکزیمم راندمان حرارتی برای محدوده های دمایی معین دارد و به عنوان یک سیکل استاندارد در مقایسه با سیکل های توان واقعی عمل می کند. از آنجاییکه سیکل کارنو یک سیکل برگشت پذیر(Reversible cycle) است، تمامی چهار فرآیندی که سیکل کارنو را تشکیل می دهند می توانند معکوس باشند. معکوس شدن این سیکل همچنین جهات برهم کنش های گرما و کار را نیز معکوس می کند. برآیند آن چرخه ای است که در جهت پادساعتگرد در نمودار T-s عمل می کند که به آن سیکل کارنو معکوس می گویند. یک یخچال یا پمپ گرمایی که بر اساس سیکل کارنو معکوس عمل کنند، یخچال کارنو و پمپ گرمایی کارنو نامیده می شوند. شماتیک نمودار دما-آنتروپی یخچال کارنو که براساس سیکل کارنو معکوس عمل می کند در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل شماتیک نمودار دما-آنتروپی یخچال کارنو براساس سیکل کارنو معکوس.
ملاحظه می کنیم که ضریب عملکرد(COP) با کاهش اختلاف بین دو دما یعنی با افزایش TL یا کاهش TH، افزایش می یابد. سیکل کارنو معکوس کارآمدترین و پربازده ترین سیکل تبرید می باشد که بین دو دمای معین عمل می کند. بنابراین این سیکل به عنوان سیکل ایده آل برای یخچال ها و پمپ های گرمایی می باشد. بااینحال سیکل کارنو معکوس، مدل مناسبی برای سیکل های تبرید نمی باشد.
دستیابی به دو فرآیند انتقال حرارت ایزوترمال در واقعیت کار سختی نمی باشد زیرا حفظ فشار ثابت به صورت خودکار دمای یک مخلوط دوفازی را در مقدار اشباع، ثابت نگه می دارد. درنتیجه فرآیندهای 1-2 و 3-4 را می توان به اواپراتورها و کندانسورهای واقعی نزدیک کرد. اما فرآیندهای 2-3 و 4-1 را نمی توان به واقعیت نزدیک نمود. علت این مسئله بخاطر فرآیند 2-3 است که شامل تراکم مخلوط بخار-مایع است و مستلزم آن است که کمپرسور دو فاز را کنترل کند، و همچنین به علت فرآیند 4-1 که شامل انبساط مبرد با رطوبت بالا در توربین می باشد. به نظر می رسد که این مشکلات را می توان با اجرای سیکل کارنو معکوس خارج از ناحیة اشباع مرتفع نمود. اما در اینحالت نیز با مشکل حفظ شرایط ایزوترمال در فرآیندهای جذب گرما و دفع گرما مواجه هستیم. درنتیجه با این تفاسیر سیکل کارنو معکوس را نمی توان به شرایط واقعی نزدیک نمود و بنابراین مدل و الگوی واقعی برای سیکل های تبرید نخواهد بود. بااینحال سیکل کارنو معکوس می تواند به عنوان یک مدل استاندارد تلقی شود که می توان سیکل های تبرید واقعی را با این مدل استاندارد مورد مقایسه قرار داد.
سیکل تبرید تراکم بخار ایده آل:
بسیاری از نواقص مرتبط با سیکل کارنو معکوس را می توان از طریق تبخیر کامل مبرد قبل از مرحله تراکم و همچنین جایگزینی توربین با شیر خفانشی(شیر انبساطی) مرتفع نمود. سیکلی که با این شیوه اجرا شود به سیکل تبرید تراکم بخار ایده آل(ideal vapor-compression refrigeration cycle) معروف است. و شماتیک و دیاگرام آن در نمودار و دیاگرام دما-آنتروپی T-s نشان داده شده است.
شکل شماتیک سیکل تبرید تراکم بخار ایده آل.
شکل دیاگرام دما-آنتروپی سیکل تبرید تراکم بخار ایده آل.
کاربردهای سیکل تبرید تراکم بخار در یخچال ها، سیستم های تهویه مطبوع، و پمپ های گرمایی(حرارتی) می باشد.
فرآیندهای سیکل تبرید تراکم بخار شامل 4 مرحله یا فرآیند است:
فرآیند1-2: تراکم ایزنتروپیک در کمپرسور
فرآیند2-3: دفع گرما در کندانسور در فشار ثابت
فرآیند3-4: خفانش در شیر خفانش(شیر انبساطی)
فرآیند4-1: جذب گرما در اواپراتور در فشار ثابت
شرح فرآیند سیکل تبرید تراکم بخار ایده آل:
در یک سیکل تبرید تراکم بخار ایده آل، مبرد در مرحله1 بصورت بخار اشباع(saturated vapor) وارد کمپرسور می شود و بصورت ایزنتروپیک تا فشار کندانسور، متراکم می گردد. دمای مبرد در طی این تراکم ایزنتروپیک، تا بالای دمای محیط، افزایش می یابد. پس از آن مبرد در مرحله2 به صورت بخار مافوق گرم(superheated) وارد کندانسور می شود. مبرد در مرحله3 به صورت مایع اشباع، درنتیجه دفع گرما به محیط، کندانسور را ترک می کند. دمای مبرد در این مرحله بالای دمای محیط می باشد. پس از آن مبرد که در مرحله3 بصورت مایع اشباع قرار دارد از شیر انبساطی عبور می کند و طی این فرآیند فشار مبرد به فشار اواپراتور در مرحله4 می رسد. دمای مبرد به زیر دمای فضای تبرید در طی این فرآیند می رسد. مبرد در مرحله4 به صورت مخلوط اشباع بخار-مایع با کیفیت پایین وارد اواپراتور می شود و طی این فرآیند مبرد با جذب گرما از فضای تبرید بطور کامل تبخیر می گردد. درنهایت مبرد به صورت بخار اشباع اواپراتور را ترک می کند و مجدداً وارد کمپرسور می گردد و این سیکل را کامل طی می کند.در یخچال فریزرهای خانگی، لوله های محفظه فریزر که در آنجا گرما توسط مبرد جذب می شود نقش اواپراتور را ایفا می کنند. کویل های عقب یخچال، که در آنها گرما به هوای محیط آشپزخانه تلف می شود، نقش کندانسور را ایفا می کنند.
شکل یخچال خانگی.
سطح زیر منحنی فرآیند در دیاگرام T-s بیانگر انتقال گرما برای فرآیندهای برگشت پذیر داخلی است. سطح زیر منحنی فرآیند 4-1 بیانگر گرمای جذب شده توسط مبرد در اواپراتور است، و سطح زیر منحنی فرآیند 2-3 بیانگر گرمای دفع شده در کندانسور می باشد. یک قاعدة سرانگشتی این است که ضریب عملکرد(COP) به میزان 2 الی 4 درصد برای هر درجه که دمای تبخیر افزایش یابد یا برای هر درجه که دمای چگالش کاهش یابد، بهبود می یابد.
یک نمودار دیگر که اغلب مواقع در تحلیل سیکل های تبرید تراکم بخار استفاده می شود، نمودار فشار-آنتالپی(P-h) است که در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل نمودار فشار-آنتالپی(P-h) برای سیکل تبرید تراکم بخار ایده آل.
در نمودار فشار-آنتالپی سیکل های تبرید تراکم بخار، سه فرآیند از چهار فرآیند به صورت خط مستقیم ظاهر شده اند، و انتقال گرما در کندانسور و اواپراتور متناسب با طول های منحنی فرآیندهای متناظر می باشد. لازم به ذکر است که علیرغم سیکل های ایده آل مطرح شده، سیکل تبرید تراکم بخار ایده آل یک سیکل برگشت پذیر داخلی نمی باشد چرا که شامل یک فرآیند برگشت ناپذیر(فرآیند خفانش) است. این فرآیند در سیکل حفظ می شود تا آن را به مدل واقعی تری برای سیکل تبرید تراکم بخار واقعی تبدیل نماید. چنانچه ابزار خفانش با یک توربین ایزنتروپیک جایگزین می شد، مبرد در نمودار T-s بجای حالت 4 در حالت 4’ وارد اواپراتور می شد و به موجب آن ظرفیت تبرید افزایش می یافت(به میزان سطح زیر منحنی فرآیند 4-4’ در نمودار T-s) و کار خالص ورودی کاهش می یافت(به میزان کار خروجی توربین). جایگزین کردن شیر انبساطی(خفانش) با توربین مفید نیست چرا که مزیت های آن نمی تواند هزینه و پیچیدگی های آن را توجیه نمایند.
تمامی چهار فرآیند مرتبط با سیکل تبرید تراکم بخار به صورت جریان های پایا می باشند فلذا تمامی چهار فرآیندی که این سیکل را تشکیل می دهند می توانند به صورت فرآیندهای جریان پایا درنظرگرفته شوند. تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل مبرد معمولاً نسبت به عبارت های کار و انتقال گرما ناچیز و کوچک است و بنابراین می توان از آنها چشم پوشی کرد. بنابراین معادله انرژی جریان پایا برمبنای جرم به صورت رابطه زیر بیان می شود:
(4)
کندانسور و اواپراتور شامل هیچ کاری نمی باشند و کمپرسور را می توان بصورت آدیاباتیک درنظرگرفت. درنتیجه ضریب عملکرد(COP) یخچال ها و پمپ های گرمایی که برمبنای سیکل تبرید تراکم بخار کار می کنند را می توان بصورت رابطه زیر بیان نمود:
ضریب عملکرد یخچال برمبنای سیکل تبرید تراکم بخار:
(5)
ضریب عملکرد پمپ گرمایی:
(6)
در روابط فوق h1=hg@P1 و h3=hf@P3 برای حالت ایده آل می باشند.
سیکل تبرید تراکم بخار واقعی:
سیکل تبرید تراکم بخار واقعی از چند جهت با سیکل تبرید تراکم بخار ایده آل تفاوت دارد، اصلی ترین آن به علت وجود برگشت ناپذیری هایی است که در اجزای مختلف سیکل اتفاق می افتد. دو منبع اصلی برگشت ناپذیری اصطکاک سیال(ناشی از افت فشار) و انتقال حرارت به محیط اطراف یا از محیط می باشد. نمودار دما-آنتروپی یک سیکل تبرید تراکم بخار واقعی در شکل زیر نمایش داده شده است.
شکل نمودار دما-آنتروپی برای یک سیکل تبرید تراکم بخار واقعی.
در سیکل تبرید تراکم بخار ایده آل، مبرد به صورت بخار اشباع اواپراتور را ترک کرده و وارد کمپرسور می شود. اما در واقعیت کنترل حالت مبرد به صورت دقیق میسر نمی باشد. لذا طراحی سیستمی مبرد را در ورودی کمپرسور در حالت کمی مافوق گرم نگه دارد، راحت تر می باشد. این تغییر کم در طراحی اطمینان می دهد که مبرد هنگام ورود به کمپرسور، به صورت کامل تبخیر شده باشد. همچنین خط متصل کننده اواپراتور به کمپرسور معمولاً طولانی تر از حالت ایده آل می باشد درنتیجه افت فشار ناشی از اصطکاک سیال و انتقال حرارت از محیط به مبرد می تواند قابل توجه باشد. ماحصل مافوق گرم بودن مبرد، جذب گرما در خط متصل کننده اواپراتور به کمپرسور، افزایش حجم مخصوص می باشد و درنتیجه باعث افزایش توان ورودی به کمپرسور می گردد زیرا کار جریان پایا با حجم مخصوص متناسب است.
فرایند تراکم در سیکل ایده آل، برگشت پذیر داخلی و آدیاباتیک است درنتیجه ایزنتروپیک هم می باشد. اما فرآیند تراکم در سیکل واقعی شامل اثرات اصطکاک می باشد که سبب افزایش آنتروپی و انتقال حرارت می گردد و ممکن است بسته به جهت فرآیند باعث افزایش یا کاهش آنتروپی شود. درنتیجه آنتروپی مبرد ممکن است در طول فرآیند تراکم واقعی افزایش(فرآیند 1-2) یا کاهش(فرآیند 1-2’) یابد که بستگی به تاثیرات غالب دارد. فرآیند تراکم 1-2’ حتی ممکن است مطلوب تر از فرآیند تراکم ایزنتروپیک باشد چراکه حجم مخصوص مبرد و بنابراین کار ورودی در این حالت کمتر است. درنتیجه مبرد بایستی در طول فرآیند تراکم خنک شود. در حالت ایده آل مبرد فرض می شود که کندانسور را به صورت مایع اشباع در فشاری برابر فشار خروجی کمپرسور ترک می کند.
در واقعیت به علت وجود افت فشار در کندانسور و همچنین در خطوط متصل کننده کندانسور به کمپرسور و به شیر خفانش، این امر اجتناب ناپذیر است. همچنین اجرای فرآیند چگالش به سهولت و با چنین دقتی که مبرد در خروجی کندانسور به صورت مایع اشباع باشد، راحت نیست و تعیین مسیر مبرد تا شیر خفانشی قبل از چگالش کامل مبرد، مطلوب نمی باشد. لذا مبرد تاحدودی قبل از ورود به شیر خفانشی، در حالت مادون سرد قرار می گیرد. بااینحال از آنجاییکه مبرد در این حالت با آنتالپی پایینتر وارد اواپراتور می شود می تواند گرمای بیشتری از فضای تبرید جذب نماید. شیر خفانش و اواپراتور معمولاً نزدیک به یکدیگر قرار می گیرند تا افت فشار در خط متصل کننده آنها ناچیز باشد.
کاربردهای سیستم های تبرید تراکم بخار(Vapor Compression Refrigeration System):
سیستم های تبرید تراکم بخار در یخچال ها و دستگاه های تهویه مطبوع استفاده می شوند. در هر دو مورد سیکل مشابهی استفاده می شود اما زمینه کاری آنها متفاوت است. همچنین اغلب انواع مختلفی از مبردها استفاده می گردد. همه سیستم های تبرید تراکم بخار شامل کندانسور، اواپراتور، شیر انبساط یا شیر خفانش، و کمپرسور هستند. در سیستم تبرید ضریب عملکرد با تغییر مبرد یا تغییر در اواپراتور و کندانسور تغییر می کند. برگشت ناپذیری ها در اجزای متفاوت سیستم تبرید تراکم بخار متفاوت است و باید تلفات در اجزاء جهت بهبود عملکرد کل سیستم اندازه گیری شود. تلفات در چرخه ها باید با در نظر گرفتن تک تک فرآیندهایی که کل چرخه را می سازند بررسی گردد. بیشترین برگشت ناپذیری (Irreversibility) در کمپرسور رخ می دهد و تغییر دمای اواپراتور تلفات اگزرژی را نیز تغییر می دهد. اگر اختلاف دما بالا باشد برگشت ناپذیری نیز بالا خواهد بود، که مسئله اخیر با چند مرحله ای کردن فرایند تراکم می تواند کاهش یابد.
اگزرژی(Exergy):
علم ترمودینامیک از ابتدا بر پایه دو قانون بنیادي طبیعی بنانهاده شده است که به عنوان قوانین اول و دوم شناخته میشوند، قانون اول به صورت ساده اصل پایستگی انرژي را بیان میکند و بیان می دارد که انرژي یک خاصیت ترمودینامیکی است و در طی واکنش انرژي از شکلی به شکلی دیگر میتواند تغییرکند ولی مقدار کل انرژي ثابت باقی میماند. قانون دوم بیان میکند که انرژي همانگونه که کمیت دارد، کیفیت نیز دارد و فرایندهاي واقعی در جهتی رخ میدهند که کیفیت انرژي کاهش مییابد. تلاش ها جهت تعیین کیفیت(پتانسیل کار) انرژي با استفاده از قانون دوم منجر به تعریف خاصیتی به نام اگزرژي گردید.
آنالیز اگزرژي یک تکنیک تحلیل ترمودینامیکی بر پایه قانون دوم است و یک مفهوم جایگزین و روشن از ارزیابی و مقایسه فرایندها و سیستم ها به صورت عقلانی و معنی دار است. به طور خاص تحلیل اگزرژي، بازده هایی را در اختیار قرار میدهد که میزان نزدیک شدن عملکرد واقعی به عملکرد ایدهال را ارائه میدهدوبسیار روشنتر از تحلیل انرژي، علل و مکان هاي تلفات ترمودینامیکی و تأثیر محیط ساخته شده بر محیط طبیعی را نشان میدهد. درنتیجه تحلیل اگزرژي در بهبود و بهینه کردن طراحی میتواند کمک کند. عملکرد بقاي انرژي سیستمها و فرایندها اساسا بهوسیله بازده اندازه گیري میشود جز اینکه درمورد یخچال ها و پمپهاي حرارتی بازده تبدیل به ضریب عملکرد میشود. دو بازده ترمودینامیکی وجود دارد که بازده انرژي و اگزرژي نامیده میشوند اگرچه بازده انرژي معمولاً بیشتر براي ارزیابی عملکرد مورد استفاده قرار میگیرد اما بازده اگزرژي مفیدتر است، بازده اگزرژي برگشت ناپذیري ها را مدنظر قرار میدهد و همچنین عملکرد واقعی سیستمها را ارائه میدهد. با مدنظرقرار دادن این دو بازده کمیت و کیفیت انرژي استفاده شده براي رسیدن به یک هدف خاص مشخص میگردد و میتوان فهمید تا چه حد میتوان از منابع انرژي استفاده کارآمد و مؤثرنمود.
بهبود بازده انرژي سیستم ها مهم ترین چالش براي اهداف سیاست هاي مرتبط با انرژي است. کاهش انرژي استفاده شده میتواند در رسیدن به اهداف امنیت انرژي کمک کند، همچنین استفاده از انرژي کارآمد و معرفی فنآوري انرژي هاي تجدیدپذیر میتواند به طور قابل توجهی به حل مسائل زیست محیطی کمک کند، افزایش بهره وري انرژي با اجتناب نمودن از استفاده کردن انرژي و مصرف منابع و تولید آلودگی به نفع محیط زیست است، از منظر اقتصادي و همچنین به عنوان یک چشمانداز زیست محیطی، بهبود بهره وري انرژي یک پتانسیل بزرگ است.از مهندسین طراحی سیستم اغلب انتظار میرود که سیستمی با بالاترین کارآیی معقول و کمترین هزینه تحت شرایط قانونی و اقتصادي و با توجه به عواقب زیست محیطی طراحی کنند، روش اگزرژي در چنین فعالیتهایی میتواند کمک کند و راهکارهاي منحصر به فرد با تأکید ویژه بر محیط زیست و پایداري ارائه کند.
آنالیز اگزرژي ابزار مفیدي براي پرداختن به اثرات زیست محیطی استفاده از منابع انرژي و نیز پیشبرد هدف استفاده از منابع به صورت کارآمدتر است. تحلیل اگزرژي همچنین نشان میدهد که چقدر از ناکارآمدي ها با طراحی سیستمهاي کارآمدتر میتواند کاهش یابد.
تعریف اگزرژی:
مقدارکار مفید که در شرایط مشخص از سیستم میتواند به دست آید اگزرژي نامیده میشود و یا میتوان گفت که پتانسیل کار انرژي موجود در سیستم در یک حالت خاص نسبت به یک حالت مرجع(حالت مرده) است و به زبان ساده تر بیشترین کار مفیدي است که از سیستم میتوان به دست آورد. زمانی گفته میشود سیستم در حالت مرده است که در حالت تعادل ترمودینامیکی با محیط اطرافش باشد. در حالت مرده سیستم در فشار و دماي محیط اطرافش است(در تعادل مکانیکی وحرارتی)، نسبت به محیط انرژي پتانسیل و جنبشی ندارد(سرعت صفر و ارتفاع صفر نسبت به محیط مرجع) و با محیط واکنش شیمیایی نمیدهد(خنثی شیمیایی)، همچنین هیچگونه عدم تعادل مغناطیسی، الکتریکی و اثر کشش سطحی بین سیستم و محیط اطرافش اگر مربوط به محیط در دسترس هستند وجود ندارد. خواص سیستم در حالت مرده با زیرنویس صفر مشخص میگردد به عنوان مثال P0 و T0 فشار و دما در حالت مرده به ترتیبatm١ و ٢٥ میباشد مگر در مورد خاصی مشخص شده باشد، سیستم در حالت مرده اگزرژي صفر دارد.
این دیدگاه که سیستم در انتهاي فرایند باید به حالت مرده برسد تا بیشترین کار خروجی بهدست آید را میتوان این گونه شرح دادکه اگر دماي سیستم در حالت نهایی بزرگتر(یا کوچکتر) از دماي محیط باشد، در این صورت همواره میتوان با راه اندازي یک موتور حرارتی بین این دو سطح حرارتی کار تولید کرد، اگر فشار نهایی بزرگتر (یا کوچکتر) از فشار محیط باشد هنوز میتوان با اجازه دادن به سیستم براي انبساط تا فشار محیط کار تولید کرد، اگر سرعت نهایی سیستم صفر نباشد میتوان با قرار دادن یک توربین و تبدیل آن به کار شفت دوار به انرژي جنبشی اضافه دسترسی داشت. از سیستمی که در ابتدا در حالت مرده است نمیتوان هیچ کاري بهدست آورد. فضاي اطراف ما شامل مقدار زیادي انرژي است با این حال اتمسفر در حالت مرده است و این انرژي شامل پتانسیل کار نیست. یک سیستم حداکثر کار ممکن را زمانی انجام میدهد که تحت یک فرایند برگشتپذیر از یک حالت اولیه مشخص به حالت محیط اطرافش(حالت مرده) برسد. اگزرژي حد بالاي مقدار کاري است که دستگاه بدون نقض هیچ کدام از قوانین ترمودینامیک میتواندتولید کند همواره مقدار اختلاف کوچک یا بزرگی بین اگزرژي و کار واقعی بدست آمده توسط دستگاه وجود دارد این تفاوت نشان دهنده فرصت در دسترس مهندسان جهت بهبود است.
توجه داشته باشید که اگزرژي سیستم در حالت خاص وابسته به شرایط محیط(حالت مرده) است و مانند یک خاصیت از سیستم است، بنابراین خاصیت اگزرژي نه تنها خاصیتی از سیستم بلکه خاصیتی از ترکیب سیستم- محیط است جایگزینی محیط اطراف راه دیگري براي افزایش اگزرژي است اما مشخصا این جایگزینی ساده نیست. پتانسیل کار یا اگزرژي انرژي جنبشی سیستم برابر مقدارخود انرژي جنبشی است چرا که که این انرژي جنبشی می تواند به طور کامل به کار تبدیل شود. به صورت مشابه اگزرژي انرژي پتانسیل برابر خود انرژي پتانسیل است. از سوي دیگر انرژي داخلی و انتالپی سیستم براي کار کاملا در دسترس نمیباشد و تنها قسمتی از انرژي حرارتی سیستم میتواند به کار تبدیل شود به عبارتی دیگر اگزرژي انرژي حرارتی کمتر از مقدار انرژي حرارتی است.
آنالیز قانون دوم سیکل تبرید تراکم بخار:
یک سیکل تبرید تراکم بخار را درنظر بگیرید که بین محیط با دمای پایین TL و محیط دما بالا TH مطابق شکل زیر درنظر بگیرید. حداکثر ضریب عملکرد(COP) سیکل تبریدی که بین دو محدوده دمایی TL و TH اجرا شود به صورت رابطه زیر تعیین می شود:
(7)
سیکل های تبرید واقعی برخلاف سیکل های تبرید ایده آل مانند سیکل کارنو، به علت برگشت ناپذیری های موجود در سیستم، ضریب عملکرد کمتری دارند. این نتیجه را می توان از رابطه فوق نیز گرفت که COP ارتباط معکوس با اختلاف دمای TH-TL دارد و برای سیکل های تبرید واقعی معتبر است. هدف آنالیز اگزرژی یا قانون دوم برای سیستم تبرید تعیین اجزایی است که می توانند بیشترین راندمان را داشته باشند. این کار با تعیین نواحی با بیشترین تخریب اگزرژی و اجزایی با کمترین راندمان قانون دوم یا پایینترین اگزرژی می باشد. تخریب اگزرژی در یک جزء را می توان به طور مستقیم از موازنه اگزرژی یا غیرمستقیم با محاسبه تولید آنتروپی و استفاده از رابطه زیر تعیین نمود:
(8)
در رابطه فوق، T0 دمای محیط(حالت مرده) است. برای یخچال، T0 معمولاً دمای محیط دما بالا TH می باشد(برای پمپ گرمایی TL است).
نرم افزار EES:
نرم افزار Engineering Equation Solver یا به اختصار EES یک نرم افزار جامع در زمینه حل معادلات مختلف می باشد که می تواند هزاران معادله غیرخطی جبری و دیفرانسیلی را به صورت عددی و همزمان حل کند. این نرم افزار به طور مخفف EES نامیده می شود. از قابلیت های این نرم افزار می توان به حل معادلات دیفرانسیلی و انتگرالی، بهینه سازی، آنالیز عدم قطعیت، تبدیل واحدها و تولید نمودارهای باکیفیت جهت استفاده های مختلف اشاره نمود. یکی از ویژگی های اصلی نرم افزار EES وجود پایگاه داده های دقیقی از خواص انتقالی و ترمودینامیکی برای صدها ماده مختلف می باشد که امکان استفاده به همراه قابلیت حل معادلات را دارا می باشد. به عنوان مثال جداول خواص برای مواد مختلف در نرم افزار EES موجود می باشد که می توان با داشتن دو خاصیت مستقل برای مواد، هر خاصیت مجهول مورد نظر از قبیل آنتالپی، آنتروپی و غیره را بدست آورد.
نرم افزار EES قابلیت خواندن برنامه های نوشته شده در زبان های برنامه نویسی Pascal، C، و Fortran را دارد. همچنین بسیاری از توابع ترمودینامیکی و توابع درونی ریاضی در نرم افزار EES وجود دارند که در محاسبات مهندسی در زمینه ترمودینامیک، مکانیک سیالات و انتقال حرارت مفید می باشند. با استفاده از جداول پارامتریک در نرم افزار EES که یکی از مفیدترین بخش های این نرم افزار است می توان مطالعات پارامتریک را انجام داد. با وارد نمودن مقادیر متغیرهای مستقل در این جدول، مقادیر متناظر متغیرهای وابسته محاسبه می گردند و درنتیجه می توان رابطه میان پارامترهای مختلف در این جدول را به صورت نمودار نمایش داد.
پس از شناخت مسئله مورد بررسی و تجزیه و تحلیل آن، بایستی معادلات مربوط به مسئله را استخراج نموده و این معادلات را به زبان نرم افزار EES بنویسیم و در ادامه آنالیز مسئله، متغیرها و واحدهای احتمالی مربوط به آنها را مشخص نماید. اگر مراحل مذکور با دقت لازم و به درستی انجام پذیرد با اولین اجرا در نرم افزار EES جواب صحیح برای مسئله مشخص می گردد و درصورتیکه با اولین اجرا در نرم افزار EES به دلیل وجود معادلات پیشرفته کاربر موفق به دستیابی به جواب صحیح برای مسئله نگردد بایستی از روش سعی و خطا استفاده کند و اقدام به حدس و واردکردن مقادیر برای برخی از متغیرها نماید که در چنین حالتی امکان دستیابی به جواب صحیح برای مسئله افزایش خواهد یافت. ابتدایی ترین امکاناتی که این نرم افزار ارائه می دهد حل دستگاه معادلات جبری است. از دیگر توانایی های آن می توان به حل معادلات دیفرانسیل، حل معادلات با توابع مختلط، بهینه سازی تقریب خطی و غیرخطی داده ها، برازش و رسم نمودارهای خواص مواد اشاره نمود. دو تفاوت عمده بین این نرم افزار و برنامه های دیگر حل عددی معادلات وجود دارد: نخست اینکه نرم افزار EES معادلاتی که باید به صورت همزمان در یک گروه مشخص حل شوند را به خودی خود تشخیص می دهد.
دوم اینکه بسیاری از توابع ریاضی و ترموفیزیکی را به صورت ذخیره شده در خود دارد که برای محاسبات مهندسی بسیار مفید و کارساز می باشند. برای مثال جداول بخار ارائه شده به گونه ای است که هریک از خواص ترمودینامیکی می تواند با استفاده از یک تابع داخلی که در EES وجود دارد فراخوانی شده و با استفاده از هر دو خاصیت معلوم دیگر بخار بدست می آید. همین قابلیت برای بسیاری از مبردهای ارگانیک ارائه شده است. آمونیاک، متان، دی اکسیدکربن و بسیاری از سیالات دیگر و جداول هوا نیز به صورت داخلی در این نرم افزار ذخیره شده اند. خواص بسیاری از گازها در EES ذخیره شده است. توابع ریاضی و ترمودینامیکی ذخیره شده در نرم افزار EES گسترده است اما امکان آن نیست که همه نیازهای تمامی کاربرها را کاملاً تأمین نماید. از اینرو برنامه این امکان را به کاربر می دهد که تابع موردنظر خود را با رابطه خاصی مشخص نماید و به سه روش در برنامه وارد کند.
نخست اینکه مقادیر مختلف یک متغیر می توانند در جدولی ذخیره گردند و هریک از این داده ها در حل دستگاه معادلات در هر دوره حل بکار روند. همچنین امکان میانیابی و برازش منحنی در جدول متغیرهای ورودی وجود دارد. دوم اینکه توابعی که توسط کاربر به صورت مجزا تعریف شوند مانند آنچه در زبان های برنامه نویسی پاسکال، فرترن وجود دارند می توانند در نرم افزار EES نیز استفاده شوند. همچنین این امکان در نرم افزار EES وجود دارد که مدول هایی که توسط کاربر نوشته شده اند و خودشان شامل برنامه EES دیگری می شوند توسط یک برنامه EES دیگر در دسترس قرار گیرند. توابع، پروسیجرها و مدول ها می توانند به عنوان فایل در کتابخانه EES ذخیره شوند و هنگامیکه نرم افزار EES بارگذاری می گردد آنها نیز درحافظه به صورت خودبخو بارگذاری می شوند. سوم اینکه توابع و پروسیجرها کامپایل شده که تحت یک زبان سطح بالا مانند پاسکال، C یا فرترن نوشته شده باشند می توانند به صورت دینامیک به برنامه EES متصل گردند. با استفاده از این سه روش گستردگی عملیاتی استفاده از توابع در برنامه بیش از پیش کامل می شود. همچنین میتوان حدود جواب های خروجی را طوری معین نمود که چنانچه جواب برنامه خارج از این حدود باشد، پاسخ برنامه ظاهر نشود. و می توان برای هر ماده، نمودار هریک از پارامترهای خواص مواد را در برابر دیگری رسم کرد. در عین حال این برنامه به ما امکان می دهد که یک متغیر را برحسب متغیر مستقل دیگر در نموداری رسم نماییم.
همچنین این نرم افزار برای طراحی مسائلی که در آن بررسی یک یا چند پارامتر بر روی یک پدیده موردنظر باشد مفید است. با جداول صفحه گسترده پارامتری که قابل ایجاد است این امر امکانپذیر شده است و EES مقادیر توابع وابسته را در جدول محاسبه خواهد کرد. EES همچنین قابلیت پردازش داده های تجربی را به صورتیکه بتوان رفتار یک پدیده را در سایر حالات تخمین زد به کاربر می دهد. زبان برنامه نویسی این نرم افزار آنقدر ساده می باشد که یک کاربر تازه وارد به راحتی می تواند آن را بیاموزد و به سادگی برای حل مسائل از آن استفاده کند. توانایی های این نرم افزار بسیار گسترده می باشد. بانک اطلاعاتی وسیع خواص ترمودینامیکی ذخیره شده در این نرم افزار برای حل مسائل در ترمودینامیک، مکانیک سیالات و انتقال حرارت بسیار مفید می باشد. همچنین نرم افزار EES برای حل بسیاری از مسائل کاربردی عملی نرم افزار مناسبی می باشد. در نرم افزار EES علاوه بر حل معادلات ترمودینامیکی بسیاری از معادلات جبری و رسم منحنی و مسائل مربوط به بهینه سازی را نیز دارا می باشد. این نرم افزار قادر است معادلاتی که بایستی بایکدیگر حل شوند را در حالت بهینه حل نماید. قابلیت تحلیل و تشخیص چگونگی و نوع معادلات بصورت خودکار توسط این نرم افزار صورت می گیرد. در این نرم افزار توابع مربوط به سیالات و ترمودینامیک نیز وجود دارند. امکان ریپورت کردن داده های یک مسئله به صورت جدول در این نرم افزار وجود دارد. داده ها و اطلاعات از نرم افزارهای دیگر همچون زبان های برنامه نویسی فرترن نیز وجود دارد. با استفاده از نرم افزار EES می توان یک جدول برای پارامترها درنظرگرفت و تاثیر آنها را بر روی معادلات و سایر متغیرها مشاهده نمود.
نمونه نتایج سیستم تبرید تراکم بخار ایده آل در نرم افزار EES:
نمونه نتایج سیستم تبرید تراکم بخار غیرایده آل یا واقعی در نرم افزار EES:
