تحقیق مقاله ساخت و بهره برداری ازیک سیستم سرمایش جذبی

(شکل ها در فایل اصلی موجود است)

فصل اول

آشنایی

1-1- ماشین جذبی و کاربردهای آن

در سال 1777 یعنی بیش از 200 سال پیش یک فرانسوی به نام «نایرن» (Nairne)تئوری تبرید جذبی را ارائه کرد. در سال 1860 اولین چیلر جذبی که با آمونیاک و آب کار می کرد ساخته شد. در سال 1945 اولین چیلر جذبی به وسیله کمپانی «کریر» به فروش رسید. چیلر جذبی سرگذشتی طولانی دارد، اما در دنیا چندان نام آور نیست. شاید درک این مطلب که ماشینی بتواند با استفاده از بخار آب یا سوختن سوخت آب سرد تولید کند کمی مشکل باشد! [1] اما هم اکنون در دنیا به دلیل استفاده از منابع جدید انرژی (گاز، نور خورشید و …) استفاده ناچیز انرژی برق و عدم استفاده از مبردهای مخرب لایه ازن به این ماشین توجه خاصی شده است.

1-1-1- مفاهیم و اصول (1)

تئوری ماشین جذبی از مفهوم «افزایش نقطه جوش»

 (Boiling point increase)گرفته شده است. زمانی که یک مول از محلولی با یک لیتر آب مخلوط شود نقطه جوش در حدود   افزایش می یابد. آب خالص در شرایط استاندارد در  می جوشد، اما وقتی که چند مول از محلولی به آب افزوده شود نقطه جوش آن چند درجه زیاد خواهد شد. این مطلب که در دبیرستان آموزش داده شده برای چیلر جذبی مورد استفاده قرار گرفته است.

 تولید آب سردشده: زمانی که یک خشک کننده (desiccant) در محفظه خالی از هوا وجود دارد، بخار آب موجود در محفظه به وسیله آن جذب خواهد شد. فشار این محفظه ممکن است تقریبا در حد خلاء با دمایی حدود  باشد چرا که مقدار بخار آب بسیار کم است. (شکل 1-1)

شکل(1-1)

 اگر این محفظه به محفظه دیگری که حاوی آب خالص است و از راه یک شیر متصل شود، فشار محفظه جدید باید در حدود 0.1 بار مطلق (Absolute bar) و دمای آن در حدود  باشد. میان آب خالص و مایع خشک کننده اختلاف فشار بخار بسیار زیادی وجود دارد. زمانی که شیر باز شود بخار آب موجود در آب که محفظه خود را پرکرده است، باید به محفظه خشک کننده برود. در این زمان این مقدار زیاد بخار آب، فرایند کاهش فشار زیادی را با حرکت به محفظه خشک کننده می گذارند و مقداری از آب هم بخار خواهد شد و خود را خنک خواهد کرد.  (شکل 2-1)

شکل(2-1)

اگر لوله های آب سرد در محفظه آب خالص نصب شوند، آب در لوله ها سرد یا خنک می شود و این آب خنک می تواند برای تهویه مطبوع با فرایند سرد کردن مورد استفاده قرار گیرد.

تغلیظ دوباره: (Reconcentration) هنگامی که بخار آب اضافی که توسط مایع خشک کننده جذب می شود فرایند جذب شدن را آهسته کرده یا متوقف می سازد, فرایند سرد کردن هم پایان می پذیرد. سپس مایع خشک کننده اشباع با گرمایش توسط بخار یا سوختن گاز دوباره تغلیظ می شود. (شکل 3-1)

شکل (3-1)

بنابراین مبرد جذب شده به وسیله چنین حرارتی بخار می شود، در حالی که مایع خشک کننده دوباره غلیظ خواهد شد. بخار آب در محفظه خشک کن به وسیله آب خنک کن، سرد می شود و دوباره به صورت مایع در می آید. (شکل 4-1)

شکل (4-1)

به هر حال خشک کننده به صورت جامد به آسانی به محفظه دیگر منتقل نمی‌شود و به این علت از یک خشک کننده یا جاذب (Absorbent) مایع برای چیلرهای جذبی واقعی استفاده می شود.

2-1-1- فرایندهای ترمودینامیکی درسیکل تبرید جذبی (3)

معمولی ترین فرایند های ترمودینامیکی که در تبرید جذبی و سیستم های صنعتی جذبی اتفاق می افتند، در اینجا تشریح می شوند. این فرایندها: مخلوط شدن آدیاباتیک و غیر آدیاباتیک دو جریان گرمایش  وسرمایش شامل تقطیر و تبخیر و فرایند خفگی هستند.

مخلوط شدن آدیاباتیک دو جریان: شکل (5-1) مخلوط شدن را نشان می دهد که دو جریان دوتایی با غلظت و انتالپی مختلف در یک فرایند جریان دائم مخلوط می شوند. تعیین حالت جریان خروجی از محفظه مستلزم برقراری تعادل جرم و انرژی در حجم معیاری است که توسط محفظه اختلاط تعریف می شود.

شکل (5-1): فرایند مخلوط شدن جریان دائم و آدیاباتیک

تعادل انرژی: (1-1)                                                             

تعادل جرم: (2-1)                                                                      

و تعادل جرم برای یک جزء: (3-1)                                           

با حذف  از معادله های (1-1) و (2-1):       

معادله (4-1) خط مستقیمی را روی نمودار h-x تعریف می کند، همانطور که در شکل(5-1) نشان داده شده است، حالت 3 باید روی این خط قرار داشته باشد. می‌توان نشان داد که:

(5-1)                                                                          

(6-1)                                                                          

می توان از نمودار h-x برای حل مسائل مخلوط شدن استفاده کرد. اما این روش هنگامی که حالت نهایی در ناحیه مخلوط قرار داشته باشد کمی پیچیده است.

 - مخلوط شدن دو جریان با انتقال حرارت: این نوع فرایند کاملا متداول است و در محفظه جاذب ماشین تبرید جذبی اتفاق می افتد. در این حالت که در شکل (6-1) نمایش داده شده تعادل انرژی تبدیل می‌شود به:

(7-1)          (معادله در فایل اصلی موجود است)                                                             

و معادله های تعادل جرم همان معادله های مخلوط شدن آدیاباتیک هستند:

(8-1)  (معادله در فایل اصلی موجود است)                                                                         

(9-1)   (معادله در فایل اصلی موجود است)                                                           

شکل (6-1) مخلوط شدن دائم دو جریان با انتقال حرارت

معادله برای غلظت  همان معادله (5-1) است در حالی که معادله آنتالپی  به صورت زیردر می آید:

(10-1)          (معادله در فایل اصلی موجود است)                                                           

معادله (10-1) با معادله (6-1) تنها در جمله آخر تفاوت دارد. نمایش این مطلب را روی نمودار h-x در شکل (6-1) می بینید. نقطه ‘3 بیانگر حالتی است که در مخلوط شدن آدیاباتیک اتفاق می افتد. نقطه 3 در فاصله مستقیم  زیرنقطه ‘3 قرار دارد. چرا که  و گرما دفع شده است. اگر گرما افزوده شود نقطه 3 بالاتر از نقطه ‘3 قرار خواهد گرفت (ژنراتور ماشین جذبی)

شکل (7-1): فرایند خفگی برای مخلوط مایع دوتایی تحت شرایط جریان دائم

- فرایندهای گرمایش و سرمایش: تبخیر و تقطیر تنها در سیکل جذبی اتفاق می افتد و به سادگی قابل بررسی ترمودینامیکی هستند. لذا از توضیح در این باره خودداری می‌شود.

 - فرایند خفگی: فرایند خفگی در بیشتر سیکل های تبرید روی می دهد. یک شیر خفانشی به طور شماتیک در شکل (7-1) نمایش داده شده است. با اینکه تبخیر در فرایند خفگی صورت می گیرد و دمای مخلوط تغییر می کند، تعادل انرژی  را نتیجه می دهد و غلظت ثابت می ماند x2=x1 نقاط حالت (1) و (2) روی نمودار h-x متشابه اند. اما باید یادآوری شود که حالت (1) در فشار P1 و حالت (2) در فشار P2 هستند. خط  توسط سعی و خطا و با استفاده از حرکت دادن یک خط راست و خط ایجاد تعادل رسم شده است. دمای  عموما کمتر از است و نسبت جزیی مایع و بخار توسط نسبت تصویرهای اجزای خط  تعیین خواهد شد.

3-1-1- فشارهای بالا و پایین ماشین (4)

فشار بالای ماشین را شرایط سیال تقطیرکننده(Condensing medium) و فشار پایین را شرایط مبرد تعیین می کند. برای دست یافتن به بیشترین کارایی سیستم، اختلاف فشار میان سمت فشار بالا و فشار پایین تا حد امکان کوچک نگه داشته شود.

4-1-1- یک قرارداد (5)

کمیته فنی (ASHRAE) عبارت های زیر را برای محلول برومیدلیتیم- آب پیشنهاد می کند: «محلول جاذب ضعیف» (Weak absorbent) محلولی است که مبرد را در محفظه جاذب به خود گرفته در کمترین درجه تمایل به جذب مبرد قرار دارد. «محلول جاذب قوی»(strong absorbent) محلولی است که مبرد را در ژنراتور از دست داده بنابراین تمایل زیادی به جذب مبرد دارد.

5-1-1- کاربردها- ماشین جذبی در مقیاس تجارتی

دستگاه های جذبی که هم اکنون در دنیا ساخته می شوند عموما آب- خنک  (Water - cooled) هستند و از آب و برومیدلیتیم که آب نقش مبرد را دارد استفاده می کنند و یا هوا خنک هستند(Air - cooled) و از آب و آمونیاک که آمونیاک نقش مبرد را ایفا می کند کمک می گیرند. این دستگاه ها غالبا برای تهویه مطبوع هستند. شکل (8-1) یک سرماساز جذبی آب- برومیدلیتیم با ظرفیت بالا را نشان می دهد.[6]

شکل (8-1): دیاگرام اجزا و نمودار جریان ها برای یک سرما ساز جذبی

 از ماشین جذبی در ظرفیت های پایین هم استفاده می شود. شکل (9-1) نمایی از یک سیکل برومیدلیتیم- آب با گرمایش مستقیم (Direct - fired) است که برای گرما و سرماسازی به کار  می رود. همچنین شکل (10-1) یک سیکل برومیدلیتیم و آب در تناژکم برای ایجاد سرما به وسیله نور خورشید را نشان می دهد. [5]

شکل (10-1): دیاگرام سیکل آب- برمید لیتیم با پوسته عمودی برای سرمایش خورشیدی

شکل (9-1): دیاگرام سیکل آب-برمیدلیتیم با گرمایش مستقیم 

در شکل (11-1) دیاگرام چیلر آب- آمونیاک با گرمایش مستقیم و کندانسور هوایی را می بینید.[5]

شکل (11-1) دیاگرام چیلر هوا خنک با گرمایش مستقیم که با آب و آمونیاک کار می کند.

 علاوه بر این ها، دستگاه جذبی آب- آمونیاک در کاربردهای صنعتی و با ظرفیت زیاد که نیاز به دماهای پایین برای انجام فرایند خود دارند به کار گرفته شده است.[5]

2-1- انواع ماشینهای جذبی و تفاوت های آنها

در اینجا ماشینهای جذبی از 4 جهت دسته بندی شده اند: از جهت جفت مبرد- جاذب(Absorbent - refrigerant pair) ، از جهت روش گرمایش، از جهت طبقه‌های ژنراتور و از جهت روش خنک کردن که مورد آخر در فصل دوم بررسی می شود.

1-2-1- جفت مبرد- جاذب (7)

دو ماده ای که جفت مبرد- جاذب را می سازند باید نیازهای زیر را برآورند تا برای تبرید جذبی مناسب باشند:

1- نبودن فاز جامد: جفت مبرد- جاذب نباید در محدوده ترکیب شدن و دمایی که تحت آن قرار می گیرند، تشکیل فاز جامد بدهند. اگر جامد تشکیل شود، می توان پیشگویی کرد که جریان سیال متوقف شده دستگاه از کار بیفتد.

2- نسبت فرار بودن: مبرد باید آنقدر فرار باشد که بتواند به راحتی از محلول جاذب جدا شود. در غیر اینصورت محدودیت های قیمت و گرمایش می تواند مانع از عمل جدایی شوند.

3- تمایل به ترکیب: محلول جاذب باید در شرایط جذب شدن مبرد تمایل زیادی به ترکیب شدن با آن داشته باشد. این تمایل به ترکیب (1) سبب می شود که مقدار محلول جاذب در گردش و در نتیجه تلف شدن انرژی حرارتی در اثر ازدست رفتن گرمای محسوس کاهش یابد و (2) ابعاد مبدل حرارتی که گرما را از محلول جاذب به مخلوط جاذب- مبرد در سیکل واقعی انتقال می دهد را کم خواهد کرد. محاسبات نشان داده اند که میل ترکیبی زیاد ضررهایی را به دنبال خواهد داشت. این خاصیت در ارتباط با گرمای جدا شدن است و با افزایش آن گرمای جدا شدن زیاد می شود. در نتیجه گرمای بیشتری در ژنراتور برای جدا سازی جاذب از مبرد لازم است.

4- فشار: فشارهای کارکرد ماشین که بیشتر به وسیله خواص فیزیکی مبرد دیکته می شوند باید معقول باشند. فشارهای بالا، لزوم استفاده از دستگاهی با دیوارهای ضخیم را می طلبد و توان الکتریکی قابل توجهی برای پمپ کردن سیال ها از فشار پایین به فشار بالا لازم خواهد بود.

فشارهای کم (خلاء) استفاده از دستگاه با حجم بالا را الزامی می کند و ابزارهای ویژه ای برای کاهش افت فشار در جریان بخار مبرد لازم است.

5- پایداری:(Stability) تقریبا پایداری مطلق شیمیایی در اینجا مورد نیاز است چون سیال ها تحت شرایط سخت در مدت طولانی هستند. عدم پایداری سبب تشکیل گازها یا جامدهای ناخواسته و مواد خورنده خواهد شد.

6- خوردگی:(Corrosion) چون سیال ها مواد حاصل از ناپایداری فلزاتی را که در ساخت دستگاه استفاده شده اند می خورند، باید از مواد پیشگیرنده خوردگی استفاده کرد.

7- ایمنی: سیال ها نباید سمی و اشتعال پذیر باشند. البته اگر فرایند تبرید در صنعت باشد از این نظر کمتر بحرانی هستند و خطر برای مناطق مسکونی است.

8- خواص انتقالی: (Transport properties) ویسکوزیته، کشش سطحی، انتشار دما و انتشار جرم از خواص مهم جفت جاذب و مبرد هستند. به طور مثال، ویسکوزیته کم سیال انتقال حرارت و جرم را بهبود می بخشد و تا حدی از مشکلات پمپ کردن می‌کاهد.

9- گرمای نهان: گرمای نهان مبرد باید زیاد باشد تا نرخ گردش جاذب و مبرد در کمترین حد نگه داشته شود. هیچ جفت مبرد- جاذب شناخته شده ای تمام نیازهای بالا را برآورده نمی کند. آب - برومید لیتیم و آمونیاک- آب نزدیک ترین ها هستند و اینها دو جفتی هستند که در بهره برداری انبوه صنعتی و تجارتی قرار دارند.

جفت آمونیاک- آب بیشتر نیازها را پاسخ می دهد اما نسبت فرار بودن بسیار کم است و نتیجه فشار کارکرد بالایی لازم خواهد بود. علاوه بر این آمونیاک سمی است و استفاده از آن در داخل فضاها محدود است.

فایده های جفت آب- برومید لیتیم شامل ایمنی بالا، نسبت فرار بودن زیاد، میلی ترکیبی بالا، پایداری زیاد و گرمای نهان بالا هستند به هر حال این جفت ها تمایل به جامد شدن دارد. چون مبرد در  یه یخ تبدیل می شود، این جفت نمی تواند برای تبرید در دماهای پایین استفاده شود. برومید لیتیم در غلظت های میانی کریستالیزه می شود، مخصوصا وقتی که با هوا خنک شود و در نتیجه کاربرد این جفت به حالت آب- خنک محدود خواهد شد. با این وجود استفاده از مخلوطی از نمک ها به عنوان محلول جاذب می تواند آنقدر از این تمایل به کریستالیزه شدن بکاهد که بتوان از سرمایش هوایی استفاده کرد.

علاوه بر این به دلیل اینکه برومید لیتیم فشار بخار قابل چشم پوشی دارد نیاز به جداسازی در ژنراتور آنگونه که در مخلوط آب آمونیاک است، وجود ندارد.[8] دیگر مضرات جفت آب- برومید لیتیم شامل فشارهای کارکرد پایین و ویسکوزیته بالای برومید لیتیم است. اما طراحی مناسب دستگاه می تواند چنین مشکلاتی را پشت سر  بگذارد.

2-2-1- روش های مختلف گرمایش

1- گرمایش با بخار: در این روش گرما دادن به مخلوط مبرد- جاذب که از محفظه جاذب به ژنراتور آمده است توسط بخاری انجام می شود که جداگانه تولید شده است. از این شیوه در ظرفیت های بالا استفاده می کنند. برای مشاهده نمونه ای از دستگاههایی که با بخار کار می کنند به شکل (9-1) نگاه کنید نمایی از دستگاه واقعی را درشکل (12-1) می بینید.[6]

2- گرمایش خورشیدی: این شیوه گرما دادن برای ظرفیت های کم (از 3 تا 30 تن تبرید) و با استفاده از آب گرم تولید شده در کلکتورهای خورشیدی ابداع شده است. دیاگرام چنین دستگاهی را در شکل (10-1) می بینید. [6]

3- گرمایش مستقیم: از این روش غالبا در ظرفیت های کم(بین 3 تا 30 تن) و گاهی هم در ظرفیت های بالا بهره می برند. در اینجا برای گرم کردن مخلوط در ژنراتور گاز یا نفت را می سوزانند. محلول برومیدلیتیم- آب با گرمای ناشی از سوختن گاز گرم شده غلیظ می شود. دیاگرام دستگاهی که با این شیوه عمل می کند را در شکل (9-1) می بینید

شکل 13-1 - ماشین جذبی دواثره برای گرمایش و سرمایش با اواپراتور DX

شکل 12-1 - ماشین جذبی تک اثره با ظرفیت بالا که با بخار گرم می شود و از آب و برومید لتیوم بهره می گیرد

3-2-1- طبقه های ژنراتور(Generator Stage)

1- چیلرتک اثره: (Single Effect Chiller) سیکل این چیلر همان است که در شکل (9-1) می بینید. محفظه جاذب و اواپراتور در یک پوسته و کندانسور و ژنراتور در یک پوسته قرار دارند.

2- چیلر دو اثره: (Double Effect Chiller) سیکل مذکور در شکل های (14-1) و (15-1) نشان داده شده است. یک ژنراتور در مرحله بالا و یک مبدل حرارتی برای محلول با دمای زیاد به سیکل تک اثره افزوده شده است. در ابتدا محلول برومید لیتیم ضعیف که مبرد جذب شده از اواپراتور را شامل می شود، به ژنراتور در مرحله بالا فرستاده شده و با بخار در درجه حرارت بالا یا سوختن سوخت گرم می شود. مبرد در دمای بالا از محلول ضعیف گرم شده جدا می شود و غلظتی میانی از محلول برمید لیتیم ایجاد خواهد شد. مبرد در دمای بالا که دمای اشباعش بین 96 تا 98 است آنقدر انرژی دارد که این محلول میانی را دوباره گرم کند. محلول میانی برومید لیتیم به یک ژنراتور در مرحله پایین فرستاده می شود و توسط مبرد دما بالایی که از ژنراتور مرحله بالا آمده است دوباره گرم می شود. منبع گرمایش که بخار با فشار بالا یا گاز است می تواند دوباره مورد استفاده قرار گیرد. نمونه ای ساخته شده از این نوع چیلر را در شکل (13-1) می بینید. [10]

4-2-1- سیکل جذبی برای گرمایش و سرمایش

چون انرژی داده شده به ماشین جذبی در سیکل سرمایش, انرژی حرارتی است، می توان به سادگی از این انرژی برای گرمایش هم استفاده کرد. این عمل با بستن و باز کردن شیرهایی صورت می گیرد. در شکل های (14-1) و (15-1) ماشین جذبی دو اثره آب- برومید لیتیم با گرمایش مستقیم را در دو حالت گرمایش و سرمایش مشاهده می کنید.

شکل (15-1) ماشین جذبی دو اثره برای گرمایش

3-1- اهداف این تحقیق

1-3-1- ماشین جذبی در مقایسه با ماشین تراکمی

هر دو سیستم از مبردی استفاده می کنند که بار سرمایش را از طریق اواپراتور دریافت می کند. هر دو سیستم یک کندانسور دارند که از توانایی سرمایی محیط برای تقطیر بخار مبرد استفاده می کند. این مبرد مایع شده در هر دو سیستم از طریق یک شیر فشار شکن به اواپراتور فرستاده می شود و در هر دو سیستم یک فشار بالا و یک فشار پایین وجود دارد.

از مزایای کاربرد سیستم جذبی بر سیستم تراکمی می توان نام برد:

< >کاهش تقاضا برای مصرف برق (بخصوص در تابستانها که پیک بار مصرف انرژی الکتریکی در آن قرار دارد)عدم استفاده از مبردهای CFC که امروزه مشکلات فراوانی در مورد آلودگی محیط زیست ایجاد کرده اند.استفاده محدود از اجزاء گردشی و متحرک باعث شده است که سیستم کارکردی بی صدا و بدون لرزش داشته باشد و در نتیجه عمر مفید نسبتا طولانی برای سیستم بوجود آورد.همچنین سیستم جذبی در مقایسه با سیستم تراکمی دارای معایبی است که بدین شرح است:< >ضریب عملکرد برودتی سیستم جذبی نسبتا پایین است (کمتر از یک است) در حالیکه تحت شرایط یکسان برای اواپراتور و کندانسور ضریب عملکرد برودتی سیستمی تراکمی بزرگتر از یک می باشد و این بدلیل فرآیند بازگشت ناپذیر جذب و جدایش (حتی در ایده آل ترین حالت) در سیستم جذبی است در حالیکه فرآیند تراکم در حالت ایده آل (سیکل کارنو) می تواند بازگشت پذیر باشد.سیستم جذبی تحت خلاء کار می کند، در صورتی که سیستم تراکمی برای فشارهای بالاتر از اتمسفر طراحی می گردد.2-3-1- محلول آب- برومیدلیتیم در مقایسه با محلول آمونیاک- آب

همانطور که قبلا توضیح داده شد این دو محلول دارای خواص مناسب جفت مبرد و جاذب هستند که در بهره بردای انبوه صنعتی و تجاری قرار دارند. از آنجا که نقطه جوش آمونیاک از آب بسیار پایین است، از سیستم جذبی آمونیاکی برای سرمایش زیرصفر، مثلا یخسازی، استفاده می شود حال آنکه سیستم آب- برومیدلیتیم برای سرمایش بالای صفر و در امر تهویه مطبوع مناسبتر است. همچنین غیرفرار بودن برومید لیتیم (جاذب) هنگام جداسازی آب (مبرد) در محفظه ژنراتور باعث سادگی سیستم شده است در صورتیکه در سیستم آمونیاکی، آب (جاذب) فرار می باشد و مقداری از آن همراه با آمونیاک (مبرد) از محفظه ژنراتور خارج می گردد و بخار آمونیاک در سمت اواپراتور و کندانسور هیچگاه خالص نیست و همواره درصد کمی از بخار آب را بهمراه دارد و بهمین دلیل سیستم آمونیاکی پیچیده تر می باشد و احتیاج به وسایل جنبی (ستون خالص کننده) برای خالص سازی آمونیاک در بعد از ژنراتور را دارد.

قابلیت جذب بالای آب توسط برومید لیتیم در مقایسه با جذب آمونیاک توسط آب از دیگر مزایای سیستم اب- برومید لیتیم می باشد. بعلت سمی بودن آمونیاک استفاده از مخلوط آب-آمونیاک در سیستمهای تهویه مطبوع در محیطهای مسکونی توصیه نمی شود. ضریب عملکرد برودتی سیستم جذبی آب- برومید لیتیم نسبت به آمونیاک- آب، تحت شرایط یکسان، کمی بالاتر است.

3-3-1- سیستم هوا- خنک در مقایسه با آب- خنک

در این تحقیق از هوا بعنوان سیال خنک کن (در کندانسور و جاذب) برای طراحی سیستم خنک کننده استفاده شده است و دلایلی برای انجام این امر وجود دارد:

با توجه به شرایط اقلیمی کشور استفاده از سیستم هوا خنک قابلیت انعطاف بیشتری دارد. استفاده از آب بعنوان سیال خنک کن موجب افزودن سیستمها و دستگاههای جنبی نظیر برج  خنک کن، به سیستم اصلی می شود و چون از اهداف اصلی این تحقیق طراحی یک دستگاه بصورت پکیج می باشد، استفاده از هوا مناسبتر تشخیص داده شده است. علاوه بر این در مکانهایی که کمبود آب جبرانی برای برج خنک کن وجود داشته باشد کندانسورهای هوا خنک مناسبتر می باشد.

در صورت استفاده از آب بعنوان سیکل خنک کن می توان سیستم را در مناطقی که دمای محیطی بالا دارند بکار انداخت، حال آنکه در صورت استفاده از هوا بعنوان سیال خنک کن، در انتخاب مکانهای مناسب برای کارکرد سیستم محدودیت داریم و این سیستم را در مناطق مذکور، نظیر شهرهای جنوبی کشور، نمی توان بکار برد. توضیحات مربوط به انواع روشهای خنک کردن در ابتدای فصل بعد آورده شده است.

4-3-1- استفاده مستقیم از گاز شهری در مقایسه با منابع حرارتی دیگر نظیر بخار داغ و انرژی خورشیدی

از آنجا که کشورمان از لحاظ منابع گاز طبیعی غنی می باشد و بایستی از این ذخیره نسبتا پایدار استفاده بهینه و مناسبی صورت گیرد، گرمایش محفظه ژنراتور با در نظر گرفتن انتقال حرارت مستقیم حاصل از سوختن گاز شهری طراحی شده است که این گاز برای اکثر محیطهای مسکونی و کارگاهها در دسترس است.

در سیستمهای بخاری، آب در یک دیگ بخار حرارت داده می شود و بخار داغ تولید شده برای گرمایش محفظه ژنراتور (بصورت یک مبدل پوسته- لوله) بکار می رود. استفاده از یک سیال واسطه مانند آب برای گرمایش محفظه ژنراتور راندمان حرارتی کل سیستم را پایین می آورد (زیرا راندمان سیستم انتقالی یا واسطه صد نمی باشد) و علاوه بر آن احتیاج به دستگاههای جنبی دیگری نظیر دیگ بخار می باشد که برای سیستمهای بخاری با تناژ بالا بیشتر در جاهایی مقرون به صرفه هستند که بخار داغ در دسترس وجود دارد (مانند نیروگاههای بخاری).

در سیستم خورشیدی نیز مجبور به تعبیه یک مخزن با دیگ بخار هستیم تا از انرژی حرارتی خورشید برای گرمایش و جوش آوردن آب (تحت فشار معین) استفاده کرده برای گرمایش محفظه ژنراتور آنرا بکار می بریم ولی از آنجا که انرژی حرارتی خورشید هزینه تولیدی در بر ندارد استفاده  از این سیستم در ظرفیتهای پایین (بخصوص مصارف مسکونی) تا حدی مقرون به صرفه خواهد بود. کاربرد این سیستم در فاز اصلاح و بهینه سازی دستگاه قرار دارد که در آینده مورد توجه خاصی قرار خواهد گرفت.

همچنین گاز طبیعی بعنوان یک منبع تمیز انرژی شناخته شده است که در صورت طراحی مناسب ژنراتور تولید مواد مضر و آلوده کننده برای محیط زیست نمی کند.

5-3-1- ظرفیت دستگاه

طراحی دستگاه بر مبنای استفاده در ساختمانها و سردخانه هایی صورت گرفته است که به 200 تن تبرید برای آن کافی باشد. که البته اصول طراحی سیستم برای ظرفیت بالاتر دستگاه تغییر نخواهد کرد.

فصل دوم

ترمودینامیک سیکل

1-2- روش های مختلف خنک کردن

بطور کلی سه روش برای خنک کردن اجزای گرمازا در سیکل پایه جذبی ارائه شده است:

1-1-2- خنک کردن با آب

در این روش بخار فوق اشباع در کندانسور از پوسته یک مبدل حرارتی می گذرد تا بوسیله آب سرد داخل لوله به آب اشباع تبدیل شود. همچنین آب سرد در محفظه جاذب از داخل لوله هایی می گذرد تا گرمای ناشی از جذب شدن مبرد بوسیله برومید لیتیم غلیظ را بگیرد. این آب سرد مورد نیاز برای خنک کردن در یک برج خنک کن جداگانه تولید خواهد شد.

با توجه به اینکه هدف از طراحی ماشین جذبی با حداقل استفاده از منابع طبیعی از جمله آب بوده این روش چندان مطلوب به نظر نمی رسد.

2-1-2- خنک کردن با هوا

به علت اینکه هوا ظرفیت حرارتی بسیار کمتری نسبت به آب دارد, نمی توان هوا را مانند آب از داخل لوله  ها عبور داد تا عمل خنک کن صورت گیرد. در نتیجه در این روش بخار فوق اشباع پس از خروج از ژنراتور وارد لوله هایی می شود که هوا توسط فن بر آن دمیده می شود تا به صورت مایع اشباع یا مادون سرد در آید. کندانسور هوا- خنک از آن جهت که پیش از این در ماشین های تبرید مورد استفاده قرار گرفته اند از لحاظ طراحی روش حل مشخصی دارند که بعدا به آن اشاره خواهد شد.

3-1-2- خنک کردن تبخیری(Evaporative - cooling)

هدف از این روش خنک کردن کندانسور  و جاذب بطور مستقیم و تبخیری است با اینکه این شیوه اکنون مراحل اولیه خود را پشت سر می گذارد [1] اما بخاطر مزایایی که دارد بسیار مورد توجه قرار گرفته است. برتری های این روش در برابر روش دفع حرارت با برج خنک کن شامل: بهای ساخت کمتر، بهای نصب کمتر ، عدم نیاز به استفاده از اسید برای پاک کردن سطوح انتقال حرارت به مدت طولانی و … همچنین دفع حرارت تبخیری در برابر خنک کردن خشک مزایایی را داراست:

خنک کردن خشک احتمال کریستالیزاسیون را افزایش می دهد.

در خنک کن تبخیری دمای ژنراتور به علت دمای پایین دفع حرارت کمتر است.

اگر دما بیش از نقطه جوش آب باشد (که در خنک کردن با هوای خشک هست) نیاز به تکنولوژی بالاتری برای کارکرد مطمئن و به صرفه وجود خواهد داشت.

اما باز هم به دلیل استفاده از آب (گر چه به مقدار کم) این شیوه برای مساله مورد بررسی انتخاب نشده است.

2-2- طرح مناسب به همراه مدل فیزیکی و دیاگرام جریان

با توجه به اهداف اصلی پروژه که در فصل قبل مورد بررسی قرار گرفت می توان اجزاء اصلی سیستم را بنیان نهاد  وپس از حل ترمودینامیکی و یافتن خواص ترمودینامیکی در تمام نقاط سیکل، سیستم را از نظر ابعاد هندسی و جنس مواد و نوع اجزاء طراحی کرد، و در نهایت به بهینه سازی و یافتن حالت مطلوب کارکرد سیستم پرداخت. طراحی کلی سیکل در ورودی و خروجی های ژنراتور کندانسور و اواپراتور تفاوتی با سیکل آب- خنک ندارد. آنچه در سیکل هوا خنک اشکال برا نگیز می نمود مساله خنک کردن محفظه جاذب برای انجام شدن عمل جذب آب بوسیله برومیدلیتیم بود. در سیستم هوا خنک به دلیل بالا بودن دمای هوا ورودی به محفظه جاذب دمای تعادل جاذب معمولا 10 الی 15 بالاتر از سیسمتی است که با آب خنک می شود بنابراین غلظت محلول 5 الی 8 درصد بالاتر می رود و این مسئله سیکل را به مرز کریستالیزاسیون نزدیکتر می کند. چندین طرح برای حل این مشکل مورد بررسی قرار گرفت که هیچ یک از نظر ترمودینامیکی معقول نبود. در اینجا دو نمونه از این طرح ها ناموفق برای روشن شدن موضوع ارائه شده است. علت ناموفق بودن اینگونه طرحها را می توان چنین بیان کرد:

میزان انرژی حرارتی که در محفظه جاذب باید دفع گردد مقداری معین دارد که از حل ترمودینامیکی سیکل به دست می آید.

شکل (1-2)                                          شکل (2-2)

بنابراین قانون نخست ترمودینامیک این محدودیت را ایجاد می کند که اگر تغییر آنتالپی در محفظه جاذب کوچک باشد (بین ورودی و خروجی) برای مقدار معین گرمای متبادله در جاذب باید میزان جرم گذرا یا جرم در گردش  زیاد باشد. هر چه این جرم در گردش کمتر باشد از نظر مکانیکی و تجهیزات ماشین مطلوبتر خواهد بود. از طرفی چون اختلاف دمای مخلوط در محفظه جاذب (بین ورودی و خروجی) را نمی توان از حدی بالاتر برد( با توجه به اینکه اختلاف دمای هوای خنک کننده در عبور از محفظه جاذب زیاد نمی باشد و نیز در مورد غلظت محلول در خروجی از جاذب محدودیت داریم, چرا که باعث می شود غلظت کل سیستم و در نتیجه محلول خروجی از ژنراتور بالاتر رود و سیستم به مرز کریستالیزاسیون نزدیکتر شود) نیاز به جرم در گردش در محفظه جاذب داریم.

طرح نهائی که از نظر ترمودینامیکی بررسی شد و به جواب رسید استفاده از ماشین ارائه شده در مرجع [2] می باشد. با اینکه این ماشین با آب خنک می شود، اما به دلیل استفاده از مکانیزم جذب داخل لوله بجای جذب روی لوله منطبق با شرایط مسئله ما می باشد. توضیحات بیشتر راجع به محفظه جاذب در فصل مربوطه آورده خواهد شد. همچنین دیاگرام جریان و مدل فیزیکی در اشکال 3-2 و 4-2 نمایش داده شده اند