دانلود تحقیق تبرید

فصل یکم
1- روشهای مختلف در تبرید
1-1- مقدمه
در سیستمهای تبرید حرارت را در درجه حرارت پائین گرفته و در درجه حرارت بالا خارج خواهیم کرد.

به طور کلی روشهائی از سرد کردن که در حالتهای مختلف تبرید خواهیم داشت به صورت زیر است:
1- بالا رفتن درجه حرارت مبرد
2- تغییر فاز
3- انبساط مایع
4- انبساط گاز ایده آل
5- مرحله تولید خلاء
6- انبساط گاز حقیقی
7- مراحل الکتریکی و مغناطیسی
2-1-بالا رفتن درجه حرارت مبرد
در اثر بالا رفتن حرارت مبرد مقداری حرارت از محیط گرفته می شود که از رابطه زیر بدست می آید:

که در آن Q مقدار حرارت از دست رفته در فشار ثابت، m جرم، به ترتیب حرارت مخصوصی در فشار ثابت و افزایش درجه حرارت مبرد می باشد.

3-1-تغییر فاز
مقداری حرارتی که مبرد در اثر تغییر فاز جامد به مایع، مایع به بخار، و یا جامد به بخار از دست می دهد که به ترتیب حرارت ذوب، حرارت نهان تبخیر و حرارت تصعید (sublimation) نامیده می شود.

در این مورد مثلا انیدریدکربنیک جامد (یخ خشک) در فشار جو در درجه حرارت از حالت جامد به بخاردر آمده و حرارت جذب می کند که می تواند مبرد خوبی در درجات حرارت پائین باشد.

رابطه ای که مقدار حرارت منتقل شده را در اثر تغییر فاز می دهد به صورت زیر است.

Q=m.L
که در آن Q حرارت منتقل شده و m جرم مبرد و L تغییرات انتالپی در اثر تغییر فاز که ممکن است حرارت ذوب یا تبخیر و یا تصعید باشد.

عمل اپراتور در سیکلهای تراکمی که مایع در آن تبخیر می شود و سرما تولید کند نمونه ای از آن است.

4-1- انبساط مایع
انبساط مایع موجب نقصان درجه حرارت آن شده و اگر همراه با تغییر فاز مایع به بخار باشد نقصان درجه حرارت قابل توجهی خواهیم داشت.

مثلا در شکل
(1-1) دیاگرام (TS) که در آن منحنی های مایع و بخار اشباع و فشار ثابت در ناحیه ای که سیال به صورت مایع است رسم شده، نقطه 1 و 2 به ترتیب قبل و بعد از انبساط ایزآنتروپ مایع باشد.

اگر این انبساط برگشت ناپذیر و آدیاباتیک باشد، نقطه بعد از انبساط سمت راست 2 واقع می شود.

به هر حال ملاحظه می شود که درجه حرارت کمی در اثر این انبساط تغییر کرده که عملا قابل توجه نیست.

شکل (1-1)
برعکس در اثر انبساط ایزآنتروپ مایع اشباع شده نقطه 3 به نقطه 4 در ناحیه مخلوط بخار و مایع خواهید رسید که در این تحول، نقصان درجه حرارت قابل توجهی داشته و در اینحالت نیز اگر تحول برگشت ناپذیر و آدیاباتیک باشد بجای نقطه 4 به نقطه خواهیم رسید که نقصان درجه حرارت با حالت ایزوآنتروپ 4-3 یکسان است.

مرحله انبساط مایع یکی از مراحل سیکل تراکم بخار می باشد، که در لوله موئین و یا شیر انبساط صورت میگیرد.

5-1- انبساط گاز کامل در جریان ثابت
وقتی گاز کاملی انبساط می شود نقصان درجه حرارتی خواهیم داشت.

رابطه گازهای کامل به صورت زیر است:

حرارتهای مخصوص نیز ثابت بوده و داریم:

که در آن u و h به ترتیب انرژی داخلی و انتالپی می باشد.

رابطه انرژی در جریان ثابت برابر با:

که در آن q و w به ترتیب حرارت مبادله شده و کار انجام گرفته روی سیستم می باشد.

حال اگر تحول خفگی را در لوله شکل (2-1) بررسی کنیم در رابطه (1-1) با صرفنظر کردن انرژی پتانسیل و حرکتی خواهیم داشت:

چون انتقال حرارت صفر( تحول آدیاباتیک) بوده و کاری هم روی سیال انجام نداده ایم بنابراین:



شکل (2-1)
یعنی انتالپی ثابت و نقصان درجه حرارتی نخواهیم داشت.

در حالیکه تغییرات انرژی حرکتی صرفنظر کردنی نباشد و قطر لوله در دو طرف یگی در نظر گرفته شود، سرعت در 2 ممکن است بیش از سرعت در 1 باشد که از رابطه پیوستگی مشاهده می گردد.

(2-2)
سطوح مساوی بوده رابطه گازهای بین 1 و 2 به صورت زیر خواهد شذ:

که در آن اگر اختلاف درجه حرارت قابل ملاحظه نباشد حجم مخصوص بزرگتر از می باشد، زیرا نقصان فشاری بین 1 و 2 خواهیم داشت.

بنابراین از رابطه (2-1) و از رابطه (1-1) نتیجه می شود و یا
اگر گاز کاملی در یک موتور و یا توربین عایق بندی شده ای منبسط شود، شکل (3-1) و تغییرات انرژی حرکتی صرفنظر کردنی باشد، رابطه (1-1) به صورت زیر خلاصه خواهد شد: در نتیجه و یا
این مرحله در سیکل هوا مشاهده می شود.

شکل (3-1) 6-1-مرحله تخلیه اگر گازی را به فشار کمتری منبسط کنیم نقصان درجه حرارتی خواهیم داشت شکل (4-1) شمای ساده مرحله تخلیه را نشان می دهد که در آن زمان جرم ورودی dm بوده و اگر به ترتیب جرم و انرژی داخلی سیال در شروع و اتمام تحول باشد، از قانون اول ترمودینامیک داریم: = حرارت افزوده شده+ انرژی اولیه در تانک+ انرژی ورودی در (1) کار+ انرژی نهائی در تانک+ انرژی از دست رفته در (2) اگر این تساوی به صورت فرمول نوشته شود داریم: شکل (4-1) در جریان ثابت در مرحله تخلیه که در آن تحول آدیاباتیک بوده و کاری انجام نشده و انرژی پتانسیل و انرژی حرکتی صرفنظر کردنی می‌باشد، نیز برابر صفر و معادله (3-1) به صورت زیر خلاصه می شود: رابطه فوق را به صورت دیفرانسیل و u و dm را به ترتیب انرژی داخلی و جرم آنی در نظر گرفته، خواهیم داشت: و یا با خواهیم داشت: از این رابطه مقادیر m ، مثبت بوده بنابراین یکی از دو مقادبر du و یا باید منفی باشد، منفی بودن du یعنی درجه حرارت سیال داخل تانک نقصان یافته و منفی بودن نشان می دهد که درجه حرارت گازی که خارج می شود کمتر از درجه حرارت گازی است که در داخل می باشد، یعنی تبرید انجام می گیرد.

7-1- انبساط گاز حقیقی وقتی یک گاز حقیقی منبسط می شود، حتی در انتالپی ثابت درجه حرارت ممکن است تغییر کند (زیاد شود، کم شود، ثابت بماند) در صورتیکه در گازهای کامل با آنچه که در قسمت (5-1) دیدیم در تحولی که انتالپی ثابت باشد درجه حرارت نیز ثابت خواهد بود.

تغییرات درجه حرارت نسبت به فشار در انتالپی ثابت برای گازهای حقیقی ضریب ژول تامسون نامیده می شود یعنی: مطابق شکل(5-1) اگر خفگی از 1 تا 2 باشد درجه حرارت افزایش یافته و در نقطه 2 درجه حرارت ماکزیمم و ضریب ژول تامسون صفر است که این یک نقطه معکوس است، زیرا از آن پس در تحول 2 تا 3 درجه حرارت نقصان خواهد یافت.

استفاده از این روش، (ضریب ژول تامسون) در مایع کردن بعضی از گازها در درجات حرارت پائین مانند هوا برای تهیه ازت و اکسیژن مایع بکار خواهد رفت.

شکل (5-1) 8-1-مراحل مغناطیسی و الکتریکی در اثر خواص مغناطیسی و الکتریکی نیز می توان بدو طریق تولید تبرید نمود.

یکی قرار دادن ملکولها در امتداد یک میدان مغناطیسی که این روش بیشتر برای تعیین درجه صفر مطلق بکار رفته و در آن میدان مغناطیسی، درجه حرارت ماده ای بنام سولفات گادولونیم را که خواص مغناطیسی دارد بالا برده و حرارت از هلیم که اطراف این ماده قرار گرفته دفع خواهد شد.

دیگری اثر معکوس یک ترموکوپل می باشد.

می دانیم یک ترموکوپل از دو فلز مختلف الجنس که در دو نقطه جوش خورده اند تشکیل شده و اگر این دو نقطه را در درجات حرارت مختلف قرار دهیم، مدار ولتاژی تولید کرده که اثر (Peltier) نامیده می شود.

عکس این موضوع نیز صحت دارد، یعنی اگر ولتاژی در مدار برقرار کنیم افزایش درجه حرارت در یک نقطه و نقصان درجه حرارت در نقطه دیگر از اتصال دو فلز خواهیم داشت.

از این روش بیشتر در آزمایشگاه استفاده می شود.

شکل (6-1) روش مغناطیسی را نشان می دهد.

شکل (6-1) اهمیت اقتصادی موضوع کاهش مصرف انرژی در چیلرها در صنعت یکی از روش های تولید برودت استفاده از برودت مرکزی است.

در این روش یک دستگاه مرکزی کار تولید سرما را بر عهده دارد و انتقال این برودت به قسمت های مختلف تأسیسات توسط یک سیستم واسط انجام می گیرد.

همان طور که می دانیم یکی از پرمصرف ترین دستگاه هائی که کار تولید برودت را بر عهده دارد چیلرها می باشد.

در کشور ما ایران که جزء کشورهای گرمسیر می باشد، مسئله سرمایش، جزء مسائل مطرح در صنعت کشور است.

اکثر چیلرهای مورد استفاده در کشور، از نوع چیلرهای تراکمی و با توجه به مصرف انرژی بالای چیلرهای تراکمی، کم کردن مصرف انرژی یعنی بالا بردن راندمان چیلرها، اهمیت بسزایی خواهد داشت.

نگاهی گذارا به مصرف برق در سالهای اخیر، نشان دهنده اهمیتی است که انواع انرژی پیدا کرده است و مصرف انرژی برق را به نسبت زیادی افزایش داده است.

طی دوره سال های 1372- 1355 مصرف برق کشور با میانگین نرخ رشد سالانه حدود 9/9% افزایش یافته و از 10758 میلیون مگا وات ساعت در سال 1355 به 58144 میلیون مگا وات ساعت در سال 1372 رسیده است.

این نرخ رشد نشان دهنده افزوده شدن سالانه به طور متوسط 2785 میلیون مگا وات ساعت به کل مصرف برق در کشور می باشد.

همچنین مصرف برق خانگی طی دوره 72- 1355 به طور متوسط از رشد سالانه ای برابر 4/13% برخوردار بوده است و از 2630 میلیون مگا وات ساعت در سال 1355 به 22143 میلیون مگا وات ساعت در سال 1372 رسیده است.

با توجه به این که در صنعت تهویه مطبوع، چیلر یکی از اجزاء بسیار مهم و رایج می باشد و روزبه روز به میزان تولید و استفاده از آن افزوده می گردد و نیز با عنایت به این که وسیله یکی از پرمصرف ترین وسایل و تجهیزات به لحاظ میزان مصرف انرژی الکتریکی می باشد، افزایش بازدهی و کاهش میزان مصرف انرژی آن از جهات مختلف اقتصادی مورد توجه و اهمیت است.

لذا تعیین میزان مصرف انرژی چیلرها در شرایط استاندارد به عنوان یک دستگاه برودتی که استفاده از آن به دلیل کارا بودن در نقاط بسیاری معمول گردیده موضوع بسیار مهمی است.

فصل دوم 2-سیکل تراکمی بخار THE VAPOR-COMPRESSION CYCLE 1-2-مقدمه سیکل تراکمی بخار یکی از مهمترین سیکلهای تبرید می باشد که در آن بخار تقطیر شده در کندانسور به کمک شیر انبساط در اواپراتور تبدیل به بخار شده و تولید سرما خواهد کرد.

بخار تولید شده در اواپراتور در کمپرسور متراکم شده و حرارت دریافت شده در اوپراتور و کمپرسور را در کندانسور از دست داده و تبدیل به مایع می گردد.

این تحولات در یک سیکل تراکمی بخار متناوباً انجام می پذیرد.

در سیکل مقایسه ای کارنو برای سیکل تبرید و ماشینهای حرارتی که در شکل (a1-2) نشان داده شده ملاحظه می شود که در ماشینهای حرارتی حرارت از محیط با درجه حرارت بالا گرفته شده و به محیط با درجه حرارت پائین پس داده خواهد شد، در صورتیکه سیکل کارنو در تبرید عمل معکوس انجام می دهد، یعنی انرژی را از درجه حرارت پائین گرفته و به درجه حرارت بالا منتقل می کند، شکل (b1-2).

بنابراین در سیکل تبرید تحولات به صورت زیر است: 2-1،تراکم آدیاباتیک یا ایزآنتروپ 3-2،خارج کردن حرارت در درجه حرارت ثابت 4-3،انبساط آدیاباتیک یا ایزآنتروپ 1-4، افزایش حرارت در درجه حرارت ثابت.

شکل (a1-2) شکل (b1-2) 2-2-ضریب عملکرد سیکل تبرید نسبت بین سرمای مفید به کار خالص ضریب عمل کرد سیکل تبرید می باشد، یعنی: ضریب عملکرد = همواره باید سعی کرد که ضریب عمل کرد بالا باشد تا سرمای بیشتری در برابر کار کمتر تولید نمود.

باید دید به چه صورت می توان این ضریب عمل کرد را بالا برد.

در سیکل تبرید کارنو انتقال حرارت در تحول برگشت پذیر ایزآنتروپ از رابطه بدست می آید.

مثلا در شکل (b1-2) سطح (6-2-3-5) مقدار حرارتی است که توسط سیال مبرد خارج و سطح (6-1-4-5) مقدار حرارتی است که اخذ گردیده و سطح (4-3-2-1) کار انجام شده می باشد.

از آنجا رابطه ضریب عملکرد به صورت زیر نوشته می شود: ضریب عملکرد ملاحظه می شود که ضریب عملکرد بستگی به درجه حرارت منبع سرد T1و منبع گرم T2 داشته و ممکن است از صفر تا بینهایت تغییر کند.

با نقصان درجه حرارت T2 ضریب عملکرد بالا رفته و با ازدیاد درجه حرارت T1 هم در صورت و هم در مخرج کسر تغییر حاصل شده بنابراین تغییرات T1 اثر بیشتری نسبت به تغییرات T2 در ضریب عملکرد ایجاد خواهد کرد، در نتیجه برای بالا بردن ضریب عملکرد باید T1 را بالا برده و T2 را پائین آورد.

3-2- سیکل کارنو در پمپ حرارتی