جهت آموزش نرم افزار solkane نیاز به دانستن برخی پیش نیاز ها می باشد که سعی بر آن می شود تا به صورت ساده به آنها پرداخته شود و سپس به آموزش نرم افزار میپردازیم.
در این بخش به بیان نحوه طراحی سیکل های تبرید تراکمی به کمک نرم افزار solkane خواهیم پرداخت، به این منظور قبل از معرفی این نرم افزار ، اصول طراحی سیکل تبرید تراکمی بیان شده است.
نرم افزار solkane در بیشتر کارخانجات سازنده دستگاه تبرید تراکمی نظیر انواع چیلر و پکیج های انبساط مستقیم استفاده می شود و از طریق آن می توان تحلیلی بر محاسبه آیتم های سیکل نظیر راندمان دستگاه و آنتالپی آنتروپی دبی سیال و سایر مشخصات آن داشت.
مطابق شکل فوق ، وظیفه هر یک از اجزای سیکل تبرید به شرح زیر است:
- کمپرسور که بخار را از اواپراتور مکیده , فشار و به تبع آن درجه حرارت آن را افزایش می دهد.
- خط تخلیه ( discharge ) که بخار داغ با فشار بالا را از کمپرسور به کندانسور منتقل می کند.
- کندانسور که از طریق آن انتقال حرارت از مبرد گرم و پر فشار به عامل سرد کننده و تقطیر که می تواند آب یا هوا یا هر دو باشد صورت می گیرد. دفع حرارت جذب شده در سیکل به عهده کندانسور می باشد.
- مخزن ذخیره مایع ( receiver) که مایع تقطیر شده در کندانسور را ذخیره و با دبی ثابتی مبرد را به اواپراتور انتقال می دهد.
- خط مایع که مبرد مایع را از مخزن ذخیره به شیر انبساط یا لوله مویین می رساند.
- اواپراتور که از طریق آن انتقال حرارت از فضای سرد شونده ( در حال تهویه) به مبرد تبخیر شونده صورت می گیرد .
- خط ساکشن یا مکش که بخار کم فشار را از اواپراتور به قسمت مکش کمپرسور انتقال می دهد .
بنابراین به طور کلی مبرد در اثر جذب حرارت از فضایی که باید سرد شود در اواپراتور تبدیل به بخار شده و به صورت گاز ما فوق گرم (سوپر هیت) از اواپراتور خارج می شود .
در خط مکش فقط گاز سوپر هیت وجود دارد. سپس گاز سوپر هیت شده از اواپراتور خارج شده و به کمپرسور می رسد. فشار گاز مبرد در خط مکش همان فشار اواپراتور است که فشار سنج مکش نشان می دهد.
در کمپرسور ، گاز متراکم شده و فشارش افزایش می یابد و در اثر تراکم درجه حرارت گاز خروجی از کمپرسور نیز افزایش می یابد. بنا بر این در خط تخلیه فقط گاز سوپر هیت شده با درجه حرارت و فشار بالا وجود دارد.
گاز تخلیه شده از کمپرسور وارد کندانسور شده و در اثر انتقال حرارت با عامل تقطیر ( آب یا هوا یا هر دو) تقطیر شده و به صورت مایع از کندانسور خارج می شود. اگر کندانسور صحیح طراحی شده باشد ، مایع خروجی از آن به صورت مادون سرد ( سابکولد) خواهد بود.
بنابر این در خط مایع فقط مایع سابکول شده با فشار و دمای بالا وجود دارد. این مایع بعد از کندانسور به مخزن ذخیره ( رسیور ) رسیده و از آنجا به پشت شیر انبساط منتقل می شود.
وظیفه شیر انبساط کاهش فشار و در نتیجه درجه حرارت مبرد است، بنابر این بعد از شیر انبساط مخلوط مایع و گاز (حدود ۲۰ تا ۲۵ % گاز . ۸۰ تا ۷۵% مایع) وجود خواهد داشت که دما و فشار آن پایین است.
سپس مخلوط مایع و گاز توسط پخش کن در مدار های اواپراتور تقسیم می شود. همچنین شیر انبساط مقدار عبوری مبرد را طوری تنظیم می کند که تمام مایع مبرد در اواپراتور تبخیر شده و هیچ مایعی از اواپراتور خارج نشود.
اثر تبرید:
مقدار حرارتی که در واحد جرم مبرد از فضای سرد شونده جذب می شود اثر تبرید نامیده می شود. اگر درجه حرارت ورودی مبرد به شیر انبساط با درجه حرارت تبخیر آن در اواپراتور برابر باشد کل جرم مایع مبرد در اواپاتور تبخیر شده و تولید برودت می نماید.
در این صورت اثر تبرید واحد جرم مبرد برابر حرارت نهان تبخیر خواهد بود ولی در یک سیکل واقعی درجه حرارت مایع ورودی به شیر انبساط از درجه حرارت تبخیر آن در اواپراتور بیشتر است و قبل از اینکه مبرد بتواند در اواپراتور تبخیر شود باید درجه حرارت اواپراتور سرد شود،
بنابر این فقط قسمتی از مبرد مایع در اواپراتور تبخیر می شود و لذا سرمای تولید شده همواره از حرارت نهان کل تبخیر کمتر است. با توجه به آنچه بیان شد می توان نتیجه گرفت که اثر تبرید واحد جرم مبرد به اختلاف درجه حرارت اثر تبرید کاهش خواهد یافت بنابر این برای افزایش اثر تبخیر باید مبرد به صورت مادون سرد به شیر انبصاط وارد شود.
در هر صورت اثر تبرید مستقیما تعیین کننده ظرفیت سیستم تبرید است به طوری که اگر جرم مبرد در حال گردش در سیکل تبرید با m و ظرفیت سیستم تبرید با Q نشان داده شود ، می توان نوشت :
در رابطه فوق اختلاف آنتالپی دو طرف اواپراتور و همان اثر تبرید است.
ضریب عملکرد :
ضریب عملکرد یک سیکل تبرید تراکمی بیانگر راندمان آن سیکل بوده و با COP نشان داده می شود. در واقع COP مخفف coefficient of performance است وبرابر است با نسبت مقدار گرمای گرفته شده از اتاق به کار مصرفی(کمپرسور) که با رابطه زیر بیان می شود :
به عبارت دیگر COP یک سیستم تبرید تراکمی برابر است با نسبت میزان برودت تولید شده توسط سیستم به میزان انرژی مصرف شده ( برق) توسط سیستم جهت تولید آن برودت.
تاثیر دمای مکش و تقطیر بر روی راندمان سیکل:
راندمان یک سیکل تبرید تراکمی به درجه حرارت های تبخیر و تقطیر بستگی دارد به طوری که با ثابت بودن دمای تبخیر و کاهش دمای تقطیر , راندمان سیکل افزایش می یابد. به طور کلی ، تاثیر افزایش دمای تقطیر روی راندمان سیکل ، دقیقا عکس افزایش دمای تبخیر است.
افزایش دمای تبخیر باعث افزایش اثر تبرید واحد جرم مبرد ، افزایش توان تبرید و کاهش کار تراکم می شود، در حالیکه افزایش دمای تقطیر باعث کاهش توان تبرید و افزایش کار تراکم می شود.
تاثیر سوپرهیت شدن بخار مکش بر روی راندمان سیکل:
معمولا در سیکل تبرید بخار با جذب حرارت به دمایی بیشتر از دمای اشباع می رسد و قبل از ورود به کمپرسور به بخار سوپرهیت تبدیل می شود. اینکه سوپرهیت شدن بخار مکش بر ظرفیت و ضریب عملکرد سیکل تراکمی چه تاثیری دارد به نحوه سوپر هیت شدن آن و اینکه حرارت جذب شده برای سوپر هیت شدن سرمای مفید ایجاد می کند یا بستگی دارد.
اگر سوپر هیت شدن بخار موجب ایجاد سرما نشود ، مقدار حرارت دفع شده از کندانسور به ازای واحد ظرفیت تبرید در مقایسه با سیکل اشباع بیشتر بوده و از آنجا که کمپرسور و کندانسور سیکل سوپر هیت از اشباع بزرگتر است، این مسئله باعث کاهش راندمان سیکل خواهد شد.
ولی اگر سوپرهیت شدن بخار موجب ایجاد سرمای مفید شود، ضریب عملکرد سیکل با بخار سوپرهیت از ضریب عملکرد سیکل با بخار اشباع نظیرش بزرگتر خواهد شد.
تاثیر مادون سرد شدن مایع مبرد بر روی راندمان سیکل:
چنانچه مایع مبرد قبل از رسیدن به شیر انبساط مادون سرد شود، اثر تبرید واحد جرم آن و در نتیجه راندمان سیکل اشباع نظیرش افزایش خواهد یافت.
طراحی سیکل تبرید تراکمی :
هدف از طراحی سیکل تبرید تراکمی بدست آوردن کمیت های نظیر کار تراکم، مقدار حرارتی که بایستی دفع گردد.
اثر تبرید ، ضریب عملکرد و دبی حجمی و جرمی جریان است. در واقع همانطور که قبلا توضیح داده شد، اولین قدم در طراحی سیستم های تهویه مطبوع و تبرید بدست آوردن بار سرمایشی است.
با داشتن این بار باید اجزای سیکل تبرید به درستی انتخاب شوند تا دستگاه بتواند به راحتی و با کمترین استهلاک کار کند.
هدف از این قسمت بدست آوردن مشخصات اجزای سیکل تبرید تراکمی که در بیشتر دستگاه ها نظیر ، پکیج های انبساط مستقیم ، چیلر ها ، کولر های گازی و غیره استفاده می شود ، بوده به نحوی که دستگاه بتواند بار حرارتی و برودتی ساختمان را تامین نماید.
طرح و محاسبه سیکل تبرید با قوانین ترمودینامیکی صورت می گیرد. در شکل زیر سیکل استاندارد تراکمی نشان داده شده است:
همانطور که در شکل مشاهده می شود، می توان کلیات مجهول مورد نظر را به صورت زیر بدست آورد:
- کار تراکم کمپرسور برابر است با تغییر آنتالپی ورودی و خروجی از آن و می توان آن را به صورت h1-h2 نوشت .
- دفع حرارت در کندانسور برابر است با تغییر آنتالپی در فرایند ۳-۲ که در تعیین اندازه کندانسور تاثیر دارد.
- اثر تبرید یا حرارت جذب شده توسط مبرد همان تغییر آنتالپی در فرایند ۴-۱ بوده و مشخصات اواپراتور را تعیین می کند.
- ضریب عملکرد سیکل تبرید تراکمی بخار برابر است با اثر تبرید تقسیم بر کار تراکمی کمپرسور.
- دبی حجمی در ورودی کمپرسور برابر است با دبی جرمی در حجم مخصوص مبرد در شرایط طراحی و در ورودی به کمپرسور و تعیین کننده ی اندازه ی فیزیکی کمپرسور می باشد. هرچه دبی حجمی در ورودی به کمپرسور بیشتر باشد، حجم جابجایی کمپرسور نیز بیشتر خواهد بود.
کار با نرم افزار
سیکل تبرید تراکمی مرسوم ترین سیکل مورد استفاده در صنعت تبرید است. در این سیکل ابتدا بخار مبرد متراکم شده و سپس به مایع تبدیل می شود.
جذب حرارت توسط مایعات به هنگام تبخیر اساس کار سیکل های تبرید است. استفاده از مایعات در این سیکل مزایای بسیاری را به همراه دارد زیرا می توان با کنترل فشار تبخیر مایع دمای تبخیر را تغییر داد.
سیکل تبرید تراکمی را می توان از دو جهت بررسی کرد، سیکل کلاسیک کارنو و دیگری سیکل تبرید واقعی.
سیکل کارنو که فقط در حالت تئوری قابل اجراست سیکلی است که راندمان آن را هنگام کار بین دو درجه حرارت نمی توان تغییر داد.
سیکل تبرید واقعی ، سیکلی است که در عمل به کار می رود و با تغییرات و اصلاحات عملی بر روی سیکل تئوری کارنو حاصل می شود. در این جا ابتدا اصول سیکل تبرید تراکمی مورد بررسی قرار می گیرد و سپس مشخصات سیال عامل در نقاط مختلف سیکل توسط نرم افزار Solkane محاسبه می گردد.
این مشخصات نقش بسیار عمده ای در طراحی بهینه و صحیح سیکل تبرید تراکمی داشته و مستقیما راندمان سیکل را تحت تاثیر قرار می دهد. به عنوان مثال در محاسبات طراحی سیستم تهویه مطبوع یک ساختمان ، اولین قدم محاسبه بار های حرارتی و برودتی ساختمان است.
بار یک فضا که از جمع بارهای تابشی، هدایتی افراد، و … بدست می آید بار واقعی آن فضاست که همواره باید دستگاهی متناسب با آن ظرفیت برای آن فضا انتخاب شود. فرایند طراحی سیکل تبرید تراکمی با داشتن شرایط کاری دستگاه که اکثر آنها با مشخص بودن محل پروژه و شرایط هوای ورودی و خروجی معلوم می شود توسط نرم افزار Solkane به راحتی قابل اجراست.
هم چنین ضریب عملکرد دستگاه ، میزان مبرد در گردش در سیکل و سایر مشخصات سیکل را می توان از طریق نرم افزار بدست آورد.
با انتخاب این نرم افزار و باز نمودن آن منوی اصلی پنجره به صورت زیر مشاهده می شود:
در قسمت فوقانی برنامه لیست انواع مبرد های رایج در صنعت تبرید مشاهده می شود که می توان با کلیک بر هر کدام از آنها مبرد مورد نظر را انتخاب نمود. پایین این قسمت سه گزینه وجود دارد که شرح آن ها به صورت زیر است:
Single point : با انتخاب این گزینه و وارد نمودن یکی از مشخصه های درجه حرارت یا فشار ماده ی مورد نظر می توان بقیه ی مشخصات ترمو دینامیکی آن را در حالت اشباع مشخص نمود.
Table : با این گزینه می توان خصوصیات ترمودینامیکی مبرد های مختلف را در شرایط مختلف اشباع (wet vapor ) و فوق گرم ( super heat ) مشاهده نمود.
Cycle : با انتخاب این گزینه می توان انواع مختلف سیکل های تهویه مطبوع و تبرید را آنالیز نمود. توضیحات مربوط به انواع سیکل ها و اصطلاحات آنها در فصل پنجم به طور کامل توضیح داده خواهد شد. نرم افزار solkane شش نوع سیکل مختلف را آنالیز می کند که مهمترین آنها عبارتند از:
- سیکل استاندارد تراکمی بخار ( یک مرحله ای ) ، که دارای یک کمپرسور و یک اواپراتور بوده و در اغلب سیستم های تهویه مطبوع به کار می رود.
- سیکل تراکمی دو مرحله ای با خشک کن میانی (two –stage with intercooler ) که دارای دو کمپرسور و یک اواپراتور است
- ORC (Organic Rankine Cycle) که سیکل رانکین را آنالیز می کند.
در واقع نرم افزار solkane برنامه کوچکی بوده و سیکل های تبرید کمی را نیز تحلیل می کند ولی به کمک آن به سرعت می توان به مشخصات مختلف سیکل دست یافت.
با انتخاب سیکل استاندارد تبرید تراکمی بخار ( cycle 1 ) مشخصات سیکل به صورت زیر باید وارد برنامه شوند:
Evaporator temperature : این گزینه درجه حرارت کاری اواپراتور را تعریف می کند و در واقع درجه حرارت تبخیر اواپراتور یا دمای اشباع مبرد در خط مکش است. مقدار آن با توجه به کاربری ساختمان و نوع سیستم تبرید متفاوت است.
Superheating : از آنجا که حالت ترمودینامیکی مبرد در خروجی از اواپراتور بر روی عملکرد کمپرسور تاثیر مستقیم دارد بنابراین درجه حرارت ورودی به کمپرسور بسیار مهم است. چنانچه مبرد با جذب گرما از محیط در اواپراتور خیلی نزدیک به حالت بخار اشباع رسیده و سپس وارد کمپرسور شود ممکن است مایع موجود آن در هنگام ورود به کمپرسور که با سرعت بسیار بالا در حال کار می باشد موجب خوردگی و سایش اجزای داخلی آن شده و کمپرسور را از بین ببرد. برای جلو گیری از این مساله معمولا طول لوله های اواپراتور را کمی بیشتر از حد نیاز مورد نظر می گیرند تا مبرد با جذب گرمای بیشتر به حالت بخار سوپرهیت برسد. مقدار این سوپرهیت توسط این گزینه برای برنامه تعریف شده است.
Pressure drop : افت فشار ناشی از اواپراتور و خط مکش را نشان می دهد.
Refrigerating cap : بار واقعی برودتی اتاق که سیستم تهویه و یا تبرید قرار است برای آن نصب شود و یا به عبارتی ظرفیت واقعی سیستم بر حسب kw در این قسمت تعریف می شود.
Condenser temperature : این گزینه درجه حرارت کاری کندانسور را تعریف می کند و در واقع درجه حرارت تقطیر مبرد گاز در کندانسور یا دمای اشباع مبرد در خط رانش بوده و بر اساس درجه حرارت خشک طرح خارج محاسبه و در نظر گرفته می شود.
Subcooling : به علت تاثیر مستقیم درجه حرارت خروجی مبرد از کندانسور روی ظرفیت سیکل تبرید این درجه حرارت تعریف می گردد و در واقع عبارت است از مقدار دمایی که مبرد خروجی از کندانسور را سرد می کنیم تا از حالت اشباع به حالت مایع سابکول ( متراکم یا مادون سرد) برسد. از آنجا که عبور بخار از شیر انبساط باعث کاهش راندمان سیکل تبرید می شود، باید مقدار سابکولینگ به اندازه ای باشد که مبرد در هنگام عبور از شیر انبساط که با کاهش فشار روبرو می شود دچار تبخیر ناگهانی (flash) نشود.
Condensing pressure drop : این گزینه افت فشار ناشی از کندانسور را نشان می دهد.
Compressor isentr efficiency : راندمان آیزنتروپیک کمپرسور در این قسمت تعریف می گردد. در ترمودینامیک به فرایندهای آدیاباتیک برگشت پذیر فرآیند آیزنتروپیک گفته می شودکه در این فرآیندها آنتروپی سیال در ابتدا و انتهای فرآیند تقریبا با هم مساوی است. فرایند تراکم نیز در کمپرسور به صورت آیزنتروپیک در نظر گرفته می شود. به عبارتی راندمان آیزنتروپیک کمپرسور به صورت ریاضی برابر است با:
که در آن Wis کاری است که کمپرسور برای متراکم کردن گاز با فرض فرآیند آدیاباتیک برگشت پذیر انجام می دهد و Wc کار واقعی انجام شده توسط کمپرسور است. در حالت واقعی فرآیندها به صورت بازگشت ناپذیر رخ می دهند. مقدار دقیق راندمان آیزنتروپیک یک کمپرسور را می توان با مراجعه به کاتالوگ سازنده آن بدست آوردو یا می توان از نرم افزار گزینه ی Auto را انتخاب کرد که با توجه به شرایط کاری سیکل خود نرم افزار مقدار این راندمان را محاسبه می نماید.
Suction line : توسط این گزینه افت فشار ناشی از خط ساکشن وارد نرم افزار می شود. مقدار مجاز این افت فشار به اندازه ای است که مقدار درجه حرارت بیش از ۰.۵ تا ۲ درجه فارنهایت تغییر ندهد.
Discharge line : مقدار افت فشار مجاز در خط دهش نیز مشابه مقادیر خط مکش می باشد که در این قسمت برای نرم افزار تعریف می شود.
با انتخاب سیکل دو از نرم افزار می توان مشخصات سیکل تبرید یک مرحله ای با یک مبدل حرارتی داخلی را که بیشتر در سیستم های هوایی استفاده می شود، تحلیل نمود.
با انتخاب سیکل استاندارد تبرید تراکمی بخار ( cycle 1 ) مشخصات سیکل به صورت زیر باید وارد برنامه شوند:
Evaporator temperature : این گزینه درجه حرارت کاری اواپراتور را تعریف می کند و در واقع درجه حرارت تبخیر اواپراتور یا دمای اشباع مبرد در خط مکش است. مقدار آن با توجه به کاربری ساختمان و نوع سیستم تبرید متفاوت است.
Superheating : از آنجا که حالت ترمودینامیکی مبرد در خروجی از اواپراتور بر روی عملکرد کمپرسور تاثیر مستقیم دارد بنابراین درجه حرارت ورودی به کمپرسور بسیار مهم است. چنانچه مبرد با جذب گرما از محیط در اواپراتور خیلی نزدیک به حالت بخار اشباع رسیده و سپس وارد کمپرسور شود ممکن است مایع موجود آن در هنگام ورود به کمپرسور که با سرعت بسیار بالا در حال کار می باشد موجب خوردگی و سایش اجزای داخلی آن شده و کمپرسور را از بین ببرد. برای جلو گیری از این مساله معمولا طول لوله های اواپراتور را کمی بیشتر از حد نیاز مورد نظر می گیرند تا مبرد با جذب گرمای بیشتر به حالت بخار سوپرهیت برسد. مقدار این سوپرهیت توسط این گزینه برای برنامه تعریف شده است.
Pressure drop : افت فشار ناشی از اواپراتور و خط مکش را نشان می دهد.
Refrigerating cap : بار واقعی برودتی اتاق که سیستم تهویه و یا تبرید قرار است برای آن نصب شود و یا به عبارتی ظرفیت واقعی سیستم بر حسب kw در این قسمت تعریف می شود.
Condenser temperature : این گزینه درجه حرارت کاری کندانسور را تعریف می کند و در واقع درجه حرارت تقطیر مبرد گاز در کندانسور یا دمای اشباع مبرد در خط رانش بوده و بر اساس درجه حرارت خشک طرح خارج محاسبه و در نظر گرفته می شود.
Subcooling : به علت تاثیر مستقیم درجه حرارت خروجی مبرد از کندانسور روی ظرفیت سیکل تبرید این درجه حرارت تعریف می گردد و در واقع عبارت است از مقدار دمایی که مبرد خروجی از کندانسور را سرد می کنیم تا از حالت اشباع به حالت مایع سابکول ( متراکم یا مادون سرد) برسد. از آنجا که عبور بخار از شیر انبساط باعث کاهش راندمان سیکل تبرید می شود، باید مقدار سابکولینگ به اندازه ای باشد که مبرد در هنگام عبور از شیر انبساط که با کاهش فشار روبرو می شود دچار تبخیر ناگهانی (flash) نشود.
Condensing pressure drop : این گزینه افت فشار ناشی از کندانسور را نشان می دهد.
Compressor isentr efficiency : راندمان آیزنتروپیک کمپرسور در این قسمت تعریف می گردد. در ترمودینامیک به فرایندهای آدیاباتیک برگشت پذیر فرآیند آیزنتروپیک گفته می شودکه در این فرآیندها آنتروپی سیال در ابتدا و انتهای فرآیند تقریبا با هم مساوی است. فرایند تراکم نیز در کمپرسور به صورت آیزنتروپیک در نظر گرفته می شود. به عبارتی راندمان آیزنتروپیک کمپرسور به صورت ریاضی برابر است با:
که در آن Wis کاری است که کمپرسور برای متراکم کردن گاز با فرض فرآیند آدیاباتیک برگشت پذیر انجام می دهد و Wc کار واقعی انجام شده توسط کمپرسور است. در حالت واقعی فرآیندها به صورت بازگشت ناپذیر رخ می دهند. مقدار دقیق راندمان آیزنتروپیک یک کمپرسور را می توان با مراجعه به کاتالوگ سازنده آن بدست آوردو یا می توان از نرم افزار گزینه ی Auto را انتخاب کرد که با توجه به شرایط کاری سیکل خود نرم افزار مقدار این راندمان را محاسبه می نماید.
Suction line : توسط این گزینه افت فشار ناشی از خط ساکشن وارد نرم افزار می شود. مقدار مجاز این افت فشار به اندازه ای است که مقدار درجه حرارت بیش از ۰.۵ تا ۲ درجه فارنهایت تغییر ندهد.
Discharge line : مقدار افت فشار مجاز در خط دهش نیز مشابه مقادیر خط مکش می باشد که در این قسمت برای نرم افزار تعریف می شود.
با انتخاب سیکل دو از نرم افزار می توان مشخصات سیکل تبرید یک مرحله ای با یک مبدل حرارتی داخلی را که بیشتر در سیستم های هوایی استفاده می شود، تحلیل نمود.
در این صورت min temperature difference اختلاف دمای ورودی به کمپرسور با خروجی از کندانسور وgas pressure drop افت فشار ناشی از این مبدل حرارتی است. سیکل های سه و چهار و پنج به بررسی انواع سیکل های دو مرحله ای پرداخته و سیکل شش نیز سیکل رانکین را آنالیز می نماید که در واقع سیکل پایه ی نیروگاه حرارتی است.