تحقیق مقاله 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:

بالا رفتن درجه حرارت مبرد

تغییر فاز

انبساط مایع

انبساط گاز ایده آل

مرحله تولید خلاء

انبساط گاز حقیقی

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 سیکل های تراکمی که مایع در آن تبخیر می شود و سرما تولید کند نمونه ای از آن است.

4-1- انبساط مایع

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:

(اشکال در فایل اصلی موجود است)

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.