تحقیق مقاله سیستم های حرارتی و برودتی

پیشگفتار

از روزگاران قدیم، آب به عنوان مایه حیات و آبادانی مورد توجه انسان بوده است. بسیاری از شهرها در مناطقی احداث شده و شکل گرفته اند که در نزدیکی آنها منابع قابل استحصال آب وجود داشته است. شهرهای متعددی نیز به دلیل خشکسالی و کمبود آب متروک و رها شده اند. با پیشرفت تکنولوژی و سطح رفاه و بهداشت جوامع، وابستگی انسان به آب افزایش یافت به گونه ای که در دهه های اخیر مقدار مصرف سرانه آب به عنوان یک شاخص پیشرفته بودن کشورها مورد استفاده قرار می گیرد. مصارف عمده آب را به چند گروه می توان تقسیم کرد:

- مصارف بهداشتی و آشامیدنی از قبیل شرب، پخت و پز، استحمام، شستشوی البسه و ظروف و ...

- مصارف کشاورزی و فضای سبز

- مصارف صنعتی

- مصارف خدماتی از قبیل سیستم های تهویه مطبوع، آتش نشانی، شستشوی خودرو، شستشوی محوطه و ....

استان خراسان و بویژه شهر مشهد در ایام گذشته به عنوان یک منطقه ییلاقی و خوش آب و هوا مورد توجه مردم کشور بوده است. متاسفانه تغییر شرایط جوی موجب گردیده است مقدار نزولات جوی کاهش یابد و این موضوع سبب پایین رفتن سطح آبهای زیرزمینی شده است به گونه ای که در سالهای اخیر در رسانه ها با بکاربردن واژه هایی چون بحران آب، خشکسالی، کم آبی و .... مردم به صرفه جویی در آب فراخوانده می شوند. در ادامه استراتژی ترغیب مصرف کنندگان به صرفه جویی در ایام پیک مصرف تابستانی گاهی اوقات برنامه های قطع های زمانبندی آب در شهر مشهد به اجرا در می آید.

درمقاله حاضر در مورد مصارف سیستم های تهویه مطبوع که در گروه مصارف خدماتی قرار دارند بحث خواهد شد و تاثیر کم آبی بر انتخاب سیستم سرمایش مورد بررسی قرار می گیرد.

2- مصارف عمده آب در سیستم های تهویه مطبوع

در سیستم های رایج تهویه مطبوع، برجهای خنک کن که در سیستم های سرمایش کاربرد دارند عمده ترین مصرف کننده آب می باشند. بنابراین در این مقاله فقط سیستم های سرمایش مورد بررسی قرار خواهد گرفت. سیکل های تبرید که اساس کار دستگاه های چیلر هستند به دو دسته اصلی تقسیم می شوند.

1-2- سیکل های تراکم بخار

فرآیند 2-1 فرایند تراکم ایزنتروپیک است که در کمپرسور رخ می دهد و طی آن فشار سیال عامل افزایش می یابد. در طی فرایند 3-2 و در فشار ثابت، حرارت موجود در سیال خروجی از کمپرسور به محیط دفع می شود. فرایند 4-3 نمایانگر فرایند انبساط ایزنتروپیک است که در یک لوله موئین یا شیر انبساط صورت می گیرد و در فرایند 1-4 در اواپراتور یا چیلر، حرارت به سیال عامل منتقل می شود و بدین ترتیب سیکل کامل می گردد. در سیکل تراکمی بخار همواره رابطه زیر برقرار است:

کار خالص انجام شده در کمپرسور- حرارت جذب شده در اواپراتور(چیلر) = دفع حرارت در کندانسور

یا:

QH = QL + W

در سیکل های تبرید در عوض واژه کارایی حرارتی که در سیکلهای حرارتی و توانی کاربرد دارد، از واژه ضریب عملکرد استفاده می شود. این ضریب عبارتست از:

کار ورودی به سیکل / اثر سرمایشی = ضریب عملکرد

COP = QH / Win

تجهیزات تبرید( از قبیل چیلرها، کولرهای گازی، پکیج ها و ...) که دارای کمپرسورهای رفت و برگشتی، گریز از مرکز، و دنده ای یا پیچی هستند همگی در سیکل تبرید تراکم بخار کار می کنند. چیلرهای تراکمی بخار ساخت سازندگان داخلی عموما دارای کمپرسورهای رفت و برگشتی یا کمپرسورهای دنده ای هستند. چون کمپرسورهای دنده ای دارای کارایی بیشتری هستند در بخش های بعد فقط چیلرهای دارای این نوع کمپرسور بررسی و تحلیل می شوند.

2-2- سیکل های تبرید جذبی

از زمان ابداع این سیکل، چیلرهای جذبی گوناگونی ساخته شده است. در چیلرهای جذبی اولیه از آمونیاک به عنوان ماده جاذب استفاده می شد که به علت سمی بودن در سالهای بعد لیتیوم بروماید جایگزین آن شد. در چیلرهای جذبی رایج از لیتیوم بروماید به عنوان جاذب و از آب به عنوان مبرد استفاده می شود. نسل های ابتدایی چیلرهای جذبی از نوع یک مرحله ای یا تک اثره بودند ولی با پیشرفت تکنولوژی و به منظور افزایش کارایی چیلرها، چیلرهای دو مرحله ای یا دو اثره نیز تولید گردیدند. در چیلرهای جذبی در عوض انرژی الکتریکی ای که در سیکل های تبرید تراکم بخار برای به حرکت در آوردن سیال عامل مصرف می شود، از انرژی حرارتی استفاده می شود. این انرژی حرارتی می تواند توسط حرارتهای بازیافت شده، آب گرم، آب داغ، بخار آب، و یا احتراق مستقیم سوخت تامین گردد. چیلرهای جذبی دو مرحله ای شعله مستقیم که در آنها انرژی حاصل از احتراق سوخت بطور مستقیم مورد استفاده قرار می گیرد، در سال های اخیر به دلایل گوناگون از جمله بیشتر بودن ضریب عملکردشان نسبت به سایر گونه های چیلر جذبی مورد استقبال و توجه مهندسین تاسیسات قرار گرفته اند. بهمین دلیل، در ادامه بحث فقط به این نوع چیلر جذبی توجه خواهد شد.

اجزا اصلی چیلرهای جذبی دو مرحله ای عبارتند از: اواپراتور، جذب کننده، مولد با درجه حرارت بالا، مولد با درجه حرارت پایین، کندانسور، جداکننده مایع و بخار، مبدل حرارتی با درجه بالا، مبدل حرارت با درجه حرارت پایین، پمپ محلول با درجه حرارت بالا، پمپ محلول با درجه حرارت پایین، پمپ محلول، و پمپ مبرد، در سیکل ها جذبی نیز کارایی تجهیزات تبرید با ضریبی موسوم به ضریب عملکرد سنجیده می شود. این ضریب عبارتست از:

انرژی حرارتی سوخت مصرفی / اثر سرمایشی = ضریب عملکرد یا COP

3- سیستم ها و تجهیزات دفع حرارت

همانگونه که در سیکل های تبرید تراکم بخار و تبرید جذبی مشاهده شده، مجموع انرژی هایی که در اواپراتور جذب می شود و حرارت یا کاری که در سیکل به عنوان نیروی محرکه استفاده می گردد باید در کندانسور به اتمسفر(یا آب دریا، رودخانه و ...) دفع شود. لازم به تذکر است که در کولرهای گازی و تجهیزات سرمایشی دارای کویل انبساط مستقیم(DX ) ، حرارت جذب شده در اواپراتور مستقیما از هوایی که باید سرد شود گرفته می شود ولی در چیلرها، حرارت از آب در حال گردش و مورد استفاده در فن کویل ها، هوارسان ها و ... جذب می گردد و بدین ترتیب این آب سرد به فن کویل یا هوارسان برگردانده خواهد شد.

تجهیزات دفع، تجهیزاتی هستند که عمل دفع حرارت را در سیکل های تبرید انجام می دهند و کندانسور نامیده می شوند. چهار نوع اصلی کندانسور که در سیستم های تبرید استفاده می شوند، عبارتند از:

کندانسور خنک شونده با آب یکبار گذر:

در این کندانسور که در سیکل باز کار می کند می توان از آب دریاچه، رودخانه، یا دریا بطور مستقیم برای جذب حرارت استفاده کرد. این آب پس از جذب حرارت در کندانسور، مجددا به منبع اصلی خود( دریاچه، رودخانه، دریا و ...) برگشت داده می شود.

کندانسور خنک شونده با آب در گردش:

در این نوع کندانسور از آب خنک شده در برج خنک کن برای جذب حرارت کندانسور استفاده می گردد. آب خروجی از کندانسور که مقداری حرارت جذب کرده است به بالای برج خنک کن هدایت می گردد و پس از پاشیده شدن بر روی قطعات پر کننده درون برج و تماس با هوای عبوری از درون آنها، تبخیر و همراه هوا از برج خارج می شود. چون گرمای نهان تبخیر قطراتی که بخار می شوند از سایر قطرات آب گرفته می شود، بنابراین درجه حرارت قطرات تبخیر نشده کاهش خواهد یافت. این قطرات به درون حوضچه زیر برج می ریزند و توسط پمپ مجددا به دستگاه چیلر برمی گردند تا دوباره حرارتی که باید در کندانسور دفع شود را جذب کنند و بدین ترتیب سیکل تکرار می گردد.

کندانسور خنک شونده با هوا:

در این نوع کندانسور که فقط در سیکل های تبرید تراکم بخار استفاده می شود (و در چیلرهای جذبی کاربرد ندارند) حرارتی که باید در کندانسور از سیکل دفع شود مستقیما از سیال مبرد به هوای محیط بیرون منتقل می گردد و نیازی به استفاده از آب نمی باشد.

کندانسور های تبخیری:

در کندانسورهای تبخیری، حرارت بطور مستقیم از کویل و به واسطه اثر سرمایش تبخیری دفع می شود. در حقیقت این نوع کندانسور، یک کندانسور خنک شونده با هوا است که برای افزایش کارایی آن و یا به دلیل محدودیت های فنی لازم است بر روی آن آب پاشیده شود.

4- محدودیت کاربرد کندانسورها

1-4- کندانسورهای خنک شونده با آب یکبار گذر

عامل تعیین کننده در انتخاب این کندانسورها، درجه حرارت منبع آب در دسترس(دریا، دریاچه، رودخانه و ....) می باشد.

معمولا درجه حرارت ورود آب خنک کننده به کندانسور چیلرهای تراکمی و جذبی را می توان تا F 89-85 در نظر گرفت. بنابراین هر منبع آبی که حرارت دفع شده از کندانسور چیلر موجب نگردد درجه حرارت آن از مقدار فوق بیشتر شود می تواند برای خنک کردن کندانسور چیلرهای تراکمی و جذبی استفاده گردد.

2-4- کندانسورهای خنک شونده با آب در گردش

در این کندانسورها که در چیلرهای تراکمی و جذبی قابل استفاده هستند، حرارتی که در کندانسور به آب خنک کن در گردش داده می شود باید در برج خنک کن و بواسطه عمل تبخیر به هوای بیرون منتقل گردد. چنانچه رطوبت نسبی( یا درجه حرارت مرطوب) هوا زیاد باشد، قابلیت جذب رطوبت هوا کاهش می یابد و عملکرد برج خنک کن با نقصان همراه خواهد بود. کمترین درجه حرارت قابل حصول برای آب در برجهای خنک کن، حدود 7 درجه بالاتر از درجه حرارت مرطوب هوای محیط است. بنابراین در اقلیم هایی که درجه حرارت مرطوب( رطوبت نسبی) هوا زیاد است، برجهای خنک کن و این نوع کنوانسورها عملکرد رضایتبخشی نخواهند داشت. برای یک ظرفیت سرمایشی مشخص، هر چه درجه حرارت مرطوب محیط بیشتر باشد، ظرفیت و ابعاد برج خنک کن مورد نیاز بیشتر و بزرگتر خواهد بود که علاوه بر افزایش سرمایه گذاری اولیه، هزینه های بهره برداری را نیز افزایش می دهد.

3-4- کندانسور های خنک شونده با هوا

در این نوع کندانسور، درجه حرارت سیالی که حرارت خود را به محیط دفع کرده و از کندانسور هوایی بر می گردد بستگی به درجه حرارت حباب خشک هوای محیط دارد. معمولا حداقل درجه حرارت قابل حصول در این کندانسورها چند درجه بالاتر از درجه حرارت حباب خشک هوای محیط است. اگر چه این نوع کندانسور برای مناطق مرطوب که درجه حرارت مرطوب آنها بالا است و یا در مناطقی که با کمبود آب یا نامناسب بودن کیفیت آب مواجه هستند بسیار مناسب است ولی استفاده از آن در چیلرهای جذبی با توجه به وظیفه ای که آب کندانسور بر عهده دارد ناممکن می باشد.

4-4- کندانسورهای تبخیری

در این نوع کندانسور که ترکیبی از کندانسورهای خنک شونده با هوا و با آب می باشد، حداقل درجه حرارت قابل حصول برای آب بستگی به درجه حرارت مرطوب محیط دارد.

5- مقایسه اقتصادی گزینه های سیستم تولید برودت

در این بخش مقایسه ای بین سیستم های تولید برودت ذیل برای یک مجتمع تجاری- اداری با زیربنای کل 12500 مترمربع که مشتمل بر 48 باب فروشگاه و 18 واحد اداری می باشد، انجام می گیرد.