کمپرسورها
تا قبل از سال ۱٩٣۰میلادی، در صنایع برودتی از سیالاتی همچون آمونیاک، دی‌اکسیدکربن، آب، هیدروکربن‌ها و هوا بعنوان سیال مبرد بطور وسیع استفاده می شد]1-3[. سیالات مزبور همگی در طبیعت یافت میشدند و در نتیجه سیالاتی ارزان، فراوان و در دسترس محسوب میگردند. با تمامی این اوصاف، به علت بازده کم، قابلیت اشتعال و یا سمی بودن، اغلب این مبردها پس از عرضة مبردهای مصنوعی به بازار (کلورو فلوروکربن‌ها و هیدروکلوروفلوروکربن‌ها )، از صنعت سرمایش یا بكلی کنار گذاشته شدند و یا در مقیاس بسیار كمتری مورد استفاده قرار گرفتند. ﻣﺗﺄسفانه بزودی اثرات تخریبی این مبردهای مصنوعی بر روی لایة ازن شناخته شد و در همین رابطه بر طبق تفاهم‌نامة مونترآل در سال ۱٩۸٧ و الحاقات آن در ۱٩٩۰(لندن) و ۱٩٩۲(کپنهاگ) مقرر گردید كه استفاده از کلوروفلوروکربن‌ها تا سال ۱٩٩۵ و استفاده از هیدروکلوروفلوروکربن‌ها تا سال ۲۰٣۰ خاتمه یابد.
كارخانجات تولید مبردهای مزبور، به عنوان مبرد جایگزین، مبرد جدیدی به نام هیدروفلوروکربن را که بعلت فقدان كلرین در ساختار آن فاقد اثرات مخرب بر روی لایة ازن است به بازار عرضه کردند. متاسفانه بزودی مشخص‌شد که این مبردها نیز دارای اثرات سوء گلخانه‌ای بوده و موجب گرم شدن کرة زمین میگردند]8[. از اینرو جای تعجب نیست كه در سالهای اخیر شاهد گرایش مجدد به استفاده از مبردهای طبیعی همچون هوا و دی اكسید كربن می باشیم.
از بین مبردهای طبیعی شاید بتوان به جرات ادعا نمود كه هوا (مبرد r-٧۲۸) تنها مبردی است كه هیچگاه استفاده از آن متوقف نخواهد شد. در واقع هوا بی‌خطرترین و ارزان‌ترین مبرد در میان تمامی مبردهای موجود در كرة زمین محسوب میشود. سیکل تبریدی كه از هوا بعنوان سیال مبرد استفاده می نماید در حقیقت بر اساس چرخة معکوس ژول یا برایتون كه در اوایل قرن نوزدهم ابداع شد کار می‌کند. اولین سردخانه ای که از هوا به عنوان مبرد استفاده می‌کرد در سال ۱۸٧٤به بازار عرضه‌شد و از آن در كشتیهای ماهیگیری استفاده می شد.
پس از روی‌کار آمدن مبردهای مصنوعی (کلوروفلوروکربن‌ها و هیدروکلوروفلوروکربن‌ها) استفاده از سیکل‌های سرمایش برآیتون در سیستمهای برودت صنعتی عملاٌ منقرض گردید اما استفاده از آن در صنایع هواپیمایی و فضایی همچنان ادامه دارد (علت کاربرد گستردة سیکل برودت برآیتون در سیستمهای تهویة مطبوع هواپیماها موجود بودن هوای فشرده و در نتیجه عدم نیاز به کمپرسور است که طبیعتاٌ منجر به کاهش قابل ملاحظه ای در اندازه و وزن سیستم میشود. در ضمن، سیكلهای برودت هوایی علیرغم راندمان پایین آنها بسیار قابل اعتماد می باشند و نیاز به سرویس در فواصل زمانی كوتاه ندارند). خوشبختانه در سالهای اخیر قابلیت استفاده از سیکل برودت هوایی در صنایع دیگری همچون صنایع غذایی، تهویة مطبوع منازل و ساختمان‌ها، یخچالهای صنعتی در ********ماركتها و نیز در سیستم تهویة مطبوع خودروها مورد توجه قرار گرفته‌است. بطور كلی میتوان برای سیکل برودت هوایی مزایای زیر را برشمرد:
• هوا سیالی فراوان و رایگان است و برای محیط زیست کاملاً بی‌خطر است.
• اجزای سیکل‌های برودت هوایی بسیار قابل اطمینان هستند و هزینه‌های نگهداری آنها نیز اندک است.
• کارآیی سیکل‌های برودت هوایی در نقاطی دور از نقطة طراحی آنها چندان تحت ﺗﺄثیر قرار نمی‌گیرد.
• سیکل‌های تبرید هوایی می‌توانند به عنوان سیکل‌های گرمایشی نیز به‌کار روند.
علیرغم مزایای فوق الذكر، سیکل‌های برودت هوایی در مقایسه با سیکل‌های تراکم بخار دارای یك ایراد عمده می باشند و آن مصرف انرژی نسبتاٌ بالای آنها می باشد. در این مقاله نشان داده شده است كه چكونه میتوان با اصلاح راندمان برخی از اجزای متشكلة سیكل مزبور مصرف انرژی آن را پایین آورد و به مصرف انرژی سیكلهای تراكم بخار نزدیك ساخت. هدف اصلی این مقاله در واقع نشان دادن چگونگی ﺗﺄثیر پذیری عملكرد سیکل تبرید برآیتون از راندمان مکانیکی و حرارتی اجزای مختلف آن است. به کمک شبیه سازیهای انجام شده در این تحقیق میتوان پی برد كه بهبود راندمان کدامیك از اجزای متشكلة سیكل مزبور از ﺗﺄثیر بیشتری برروی کارآیی كل سیکل (cop) برخوردار است.
تئوری:
چرخة ایده‌آل برآیتون از دو فرآیند هم‌فشار و دو فرآیند با انتروپی ثابت تشکیل شده است. چرخة برآیتون شامل یک توربین، یک کمپرسور و دو مبدل حرارتی است . این چرخه تا حد زیادی شبیه به چرخة رانکین است با این تفاوت که در آن فرآیند اختناق با یک فرآیند انبساط (با انتروپی ثابت) در توربین جایگزین شده‌است. همچنین، برخلاف چرخة رانکین، سیال عامل همواره در فاز گاز باقی می‌ماند. این تفاوتها موجب برخی مزایا و برخی معایب در سیکل برآیتون میشود. مزیت عمدة سیكل برآیتون در این است كه در فرآیند انبساط مقداری کار تولید میشود كه میتوان از آن برای گرداندن کمپرسور سیكل استفاده نمود. اما، از آنجا که سیال عامل در سرتاسر این سیکل در فاز گاز باقی می‌ماند از اینرو برای ﺗﺄمین میزان برودت مورد نیاز، لازم است دبی جرمی هوا بالا برده شود.
لازم بذكر است كه چرخة برایتون، بر حسب کاربرد، میتواند بصورت باز و یا بسته باشد. در شکل 1 چرخه‌ای از نوع بسته نشان داده شده است. اختلاف چرخه‌ای از نوع باز با چرخة نشان داده شده در شكل 1 در این است كه فاقد مبدل دما - پایین است بطوریكه در آن هوای سرد شده مستقیماٌ وارد فضای مورد نظر میشود. بدیهی است که چنین چرخه‌ای به سبب عدم نیاز به مبدل دما- پایین، قیمت کمتری دارد. بااین وجود، بحث‌های ترمودینامیکی در سیکل‌های باز و بسته یکسان است و نمودار دما- انتروپی نشان داده شده در شکل۲ برای هر دو نوع سیکل معتبر است. این نمودار با در نظر گرفتن تمامی برگشت ناپذیریهای موجود در توربین، کمپرسور و مبدل‌های آن ترسیم شده‌است. در این نمودار th، دمای چاه‌حرارتی (محیط پیرامون) است که به طور طبیعی از دمای t3 کمتر می‌باشد. به طور مشابه، tl، دمای منبع حرارتی (محفظة سرد) است و طبیعتاٌ از t1 بزرگتر می باشد. در این مقاله برای سادگی دماهای tl و th ثابت فرض شده‌اند ]8[ با اینوصف متذكر میگردد كه قید مزبور قیدی الزامی نیست و میتوان تغییرات آنها را در صورت لزوم در نظرگرفت ]9-12[.
هوا در نقطة ۱ وارد کمپرسور میشود و در خروج از کمپرسور فشار و دمای آن افزایش می‌یابد. برای پایین آوردن دمای هوای خروجی از كمپرسور از یک مبدل حرارتی كه مبدل دما – بالا نام دارد استفاده میشود. پس از خروج از مبدل مزبور، هوا وارد توربین (دستگاه منبسط كننده) میگردد و دمای هوا کاهش بیشتری یافته تا به مقدار مطلوب و مورد نظر برسد. در مرحلة آخر، هوایی كه بدینوسیله سرد شده است با عبور از محفظة سرد كه مبدل دما – پایین نام دارد وظیفة خنک‌کردن را به انجام می‌رساند. در ضمن، فرآیند انبساط ﺗﺄمین‌کنندة قسمتی از کار مورد نیاز کمپرسور است و بقیة کار مورد نیاز کمپرسور باید از یک منبع خارجی ﺗﺄمین گردد. سئوالی كه در اینجا مطرح میگردد این است كه ضریب‌کارایی‌کل چرخه چقدر است. همانطور كه میدانیم ضریب کارآیی چرخه های تبرید به صورت نسبت بار سرمایشی مفید به کار خالص داده شده به چرخه (کار کمپرسور منهای کار توربین) تعریف میگردد. بعبارت دیگر داریم:
برای محاسبة cop یك سیكل تبرید برآیتون واقعی لازم است به این واقعیت توجه شود كه در سیکل واقعی فرآیندهای تراکم و انبساط تا حدی برگشت ناپذیر هستند. در ضمن، فرآیندهای انتقال حرارت در هر دو مبدل حرارتی به دلیل تلفات اصطکاکی سیال مبرد در تماس با دیوارة لوله ها از نوع فشار- ثابت نیست. از طرف دیگر، بعلت محدود بودن سایز مبدلها لازم است بین th و t3 در مبدل دما – بالا و نیز بین دمای tl و t1 در مبدل دما – پایین مقداری اختلاف دما وجود داشته باشد. این تفاوتها بین سیکل ایده‌آل و سیکل واقعی موجب افت کارآیی كلی چرخه میشود.
نتایج بدست آمده و تحلیل آنها
با استفاده از روابط فوق میتوان تاثیر پارامترهای مختلف را بر روی ضریب‌کارآیی یك چرخة تبرید برایتون واقعی (که شامل انواع مختلف برگشت ناپذیریهاست) بررسی نمود. در شکل3 اثر نسبت فشار بر روی ضریب‌کارآیی سیكل مزبور در چندین th مختلف نشان داده شده‌است. همانطور که در این شكل مشاهده میشود در هر دمای th معینی، یک نسبت فشار بهینه وجود دارد که به ازای آن ضریب کارایی سیكل ماکزیمم میشود. در ضمن شكل مزبور نشان میدهد كه با افزایش th نسبت فشار بهینه افزایش می یابد. شکل4 اثر افزایش th بر ضریب‌کارآیی ماکزیمم چرخه را نشان میدهد. شكل مزبور نشان میدهد كه با افزایش th ضریب‌کارآیی ماکزیمم چرخه پایین می آید. در شكل 5 نیز اثر مخرب افزایش th بر روی دمای هوا در خروج از كمپرسور (دمای ماکزیمم سیکل) نشان میدهد. این نمودارها، به‌خوبی اهمیت دمای چاه حرارتی (th) را برروی کارآیی چرخة تبرید هوایی نشان می‌دهند. از این نمودارها میتوان نتیجه گرفت که کاهش دادن دمای چاه حرارتی از چند جهت سودمند است: 1) ضریب کارایی چرخه افزایش می‌یابد. 2) دمای خروجی کمپرسور کاهش می‌یابد. 3) نسبت فشار مورد نیاز در نقطة کار چرخه کاهش می‌یابد (که خودبخود موجب كاهش قیمت كمپرسور مورد نیاز و نیز كاهش در میزان سر و صدای آن میگردد).
در شکل 6 ﺗﺄثیر برگشت ناپذیریهای موجود در توربین و کمپرسور چرخه برروی cop نشان داده شده‌است. ﺗﺄثیرپذیری شدید ضریب کارآیی چرخه از بازدة توربین و کمپرسور در این نمودارها كاملاٌ مشخص است. از این نمودارها میتوان نتیجه گرفت كه ﺗﺄثیر بازده توربین برروی کارایی چرخه، در مقایسه با کمپرسور، از اهمیت بیشتری برخوردار است.
شکل 7 ﺗﺄثیر افت فشار جریان هوا در گذر از مبدلها را برروی ضریب کارایی چرخه نشان میدهد. همانطور که انتظار می‌رفت، افت فشار مزبور ﺗﺄثیر قابل ملاحظه‌ای برروی کارایی چرخه دارد بطوریکه انتخاب مبدل مناسب از اهمیت بسیاری در سیكلهای تبرید هوایی برخوردار است.
شکل 8 چگونگی ﺗﺄثیر راندمان حرارتی مبدلها را برروی عملکرد سیکل نشان میدهد. نکتة جالبی که از مقایسة شیب این دو منحنی درمی‌یابیم این است که بهبود بازدة حرارتی مبدل دما - بالا نسبت به مبدل دما – پایین از اهمیت بیشتری برروی کارآیی چرخه برخوردار است.
موارد كاربرد سیكل تبرید هوایی:
بر اساس نتایج بدست آمده در این تحقیق، میتوان نتیجه گرفت كه با متمركز شدن بر روی بهبود راندمان اجزای خاصی از یك سیكل تبرید هوایی میتوان شاهد بهبود قابل ملاحظه ای در cop آن بود. در حقیقت به نظر میرسد كه در سایة چنین تمهیداتی بتوان سیكلهای تبرید هوایی را از نظر مصرف انرژی بخوبی قابل رقابت با سیكلهای تبرید از نوع تراكم بخار ساخت. بعنوان مثال، همانطور كه میدانیم در حال حاضر صنایع تبرید صنعتی به شدت وابسته به سیستمهای تراکم بخار از نوع آمونیاکی می باشند.
با اینوصف استفاده از چنین سیستم تبریدی میتواند در برخی از موارد همچون انجماد مواد غذایی (مثال: گوشت) موجب کاهش قابل ملاحظه‌ای در وزن محصول در اثر تبخیر گردد که طبیعتاٌ موجب افت ارزش گوشت میشود. در چنین مواردی اگر به جای سیكل آمونیاكی از سیکل هوایی از نوع باز استفاده شود نه تنها نیاز به اواپراتور حذف میشود بلكه میتوان هوای سرد را به صورت فوق اشباع در تماس مستقیم با مواد غذایی قرار داد بدون اینكه چیزی از وزن آنها كم شود. در ضمن، لازم به ذکر است که در چنین سیستم تبریدی، بر خلاف سیستمهای خنک کنندة مرسوم آمونیاکی، به علت عدم وجود مبدل دما - پایین، نیازی به عملیات یخ‌زدایی از سیستم سرمایش نیز وجود ندارد كه به بهبود مصرف انرژی سیكل كمك میكند.
روش مرسوم دیگر در سیستمهای انجماد صنعتی استفاده از نیتروژن مایع است. با اینوصف باید در نظر داشت كه در چنین روشی، قیمت تمام شدة کل سیستم، شامل هزینة تولید، نگهداری و حمل و نقل نیتروژن مایع نیز میگردد. با در نظر گرفتن كلیة این پارامترها میتوان گفت كه در مقایسه با سیستمهای سرمایش مکانیکی (آمونیاكی و یا هوایی) سیستمهای نیتروژنی تقریباٌ به اندازة بیست برابر دارای مصرف انرژی بالاتری می باشند. محاسبه ای ساده حاكی از آن است كه cop یك سیستم نیتروژنی در حدود 0.07 است و این در حالی است كه cop یك سیستم تبرید هوایی بطور نمونه برابر با 0.5 است.
