ترمودینامیک چگونه سرما می سازد؟

تحولات به وقوع پیوسته در صنعت و شیوه های جدید استفاده از منابع نیرو همچنین رشد اقتصادی روز افزون، موجب خواهد شد که در طی 20 سال آینده تحولاتی اساسی در زمینه صنعت تبرید در سراسر دنیا رخ دهد و همچنین این امر در مناطق گرمسیری جهان که ضرورت سرمایش و تهویه مطبوع به طور جدی وجود دارد ذهن بشر را متوجه استفاده از انرژی در دسترس خورشیدی می کند تا بتواند با استفاده از آن اسباب رفاه و آسایش زندگی را فراهم آورد. علاوه بر این، کاربرد انرژی خورشیدی در مقایسه با سایر کاربرد ها، جذابیت بیشتری دارد. زیرا زمانی که نیاز به آن وجود دارد میزان انرژی خورشیدی زیادی وجود دارد و می توان از آن بهره گیری کرد.

                                                                                                                

 

 

-سیستم های سرمایش جذبی خورشیدی "solar absorpyion cycles "

 

 

 

سیستم های سرمایش جذبی خورشیدی "solar absorpyion cycles " دارای هر دو مزیت عدم خطر از لحاظ زیست محیطی و پایین بودن مصرف انرژی به ویژه در ساعات پیک الکتریکی است.

 

در مقایسه با دیگر کاربردهای انرژی خورشیدی این کاربرد پیچیدگی بیشتری دارد چه به لحاظ مفهومی و چه به لحظ کاربردی. به همین دلیل توسعه و کاربرد جهانی پیدا نکرده است. در این روش تنها دریافت و جذب انرژی خورشیدی کافی نیست، بلکه باید بتوانیم این روش را به سرما تبدیل کنیم و سپس به طرف فضای مورد نظر بفرستیم. باید وسیله ای وجود داشته باشد که حرارت را از دمای پایین گرفته و به دمای بالاتر انتقال دهد. در اصطلاح ترمودینامیکی به عبارت دیگر به یک پمپ حرارتی نیاز است. کلکتورهای خورشیدی تا دمای بالاتر از دمای محیط گرم می شوند و به عنوان محرک و انرژی در یک سیکل قدرت، وارد می گردد.

 

سیال انتقال دهنده گرما ممکن است هوا، آب و یا سیال دیگری باشد. گرما می تواند برای زمان هایی که تابش خورشید وجود ندارد نیز ذخیره گردد.تجهیزات سرمایش ممکن است اثر سرمایشی به طرق مختلف ایجاد کند یکی از روش ها، تولید آب سرد و فرستادن به سمت تجهیزاتی است که به وسیله آب سرد محیط را خنک می کند و یا فن های بادزن. همچنین می توان هوا را به صورت مستقیم خنک کرد و به سمت فضای مورد تهویه فرستاد.در واقع کلکتورهای خورشیدی، انرژی خورشیدی را به گرما در دمای مناسب تبدیل می کنند، که این گرما قدرت مورد نیاز برای سیکل سرمایش است. کلکتورها انواع مختلفی دارند که از صفحات تخت با دمای پایین تا صفحات پیچیده با دمای بسیار بالاتر، متنوع هستند. با افزایش تقاضا برای تهویه مطبوع در سال های اخیر به خصوص در مناطق گرم سیر و مرطوب، تقاضا برای مصرف انرژی زیاد شده است.

 

                                                                                                              سرمایش جذبی خورشیدی

 

2-سیکل تبرید جذبی خورشیدی

 

1-2-اصول ترمودینامیک

 

با توجه به گزینه های مختلف که برای سیستم پمپ حرارتی به کار گرفته در سیستم خورشیدی وجود دارد ابتدا باید به اصول ترمودینامیکی تجهیزات سرمایش پمپ حرارتی پرداخته می شود. سیستم گفته شده بین دمای منبع حرارتی در سه سطح دمایی کار می کند. دمای پایین فضای سرمایش یا فضای مورد تهویه، دمای بالای فراهم شده توسط انرژی خورشیدی که دمای میانی سرد و گرم است و در واقع در دمای محیط است که به عنوان چاه حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد.

 

 

 

2-2- سیکل تهویه مطبوع

 

تجهیزات سرمایش می تواند در غالب عبارات ترمودینامیکی به صورت تلفیقی از پمپ حرارتی و موتور گرمایی تشریح شوند. موتور گرمایی حرارت را از منبع گرم دریافت می کند و به چاه حرارتی در دمای محیط انتقال می دهد و کار مکانیکی را ایجاد می نماید. با توجه به قانون دوم ترمودینامیک اگر سیکل، تحت شرایط بازگشت پذیر طبق الگوی سیکل کارنو کار کند، بهترین کارایی را خواهد داشت. تحت چنین شرایط بهینه ای، ضریب کلی عملکرد سیستم COP سرمایش عبارت است از:

 

ضریب عملکرد سیستم سرمایش وابستگی زیادی به دمای عملکرد سیستم دارد که به طور قطع افزایش دما موجب افزایش کارایی سیستم می گردد. بنابراین نوع کلکتور به کار گرفته شده درسیستم خورشیدی تاثیر مستقیم روی COP دارد و در واقع عامل محدود کننده COP است.

 

                                                           

 

 شرح ترمودینامیکی سیستم سرمایش

 

با استفاده از کلکتورهای صفحه تخت معمولی، گرمای به دست آمده معمولا بالا نمی باشد. کلکتورهای متمرکز کننده، دمای بالاتری را فراهم می آورند ولی دارای قیمت بالاتری هستند و پیچیدگی و مشکلات بیشتری به سبب نیاز به تغییر مسیر خورشید دارند. نتیجه گیری دیگری که میتوان از موضوع گرفت این است که کارایی COP را با کاهش دمای چاه حرارتی افزایش داد. با توجه به این نکته می توان نتیجه گیری کرد که سرمایش با آب نسبت به هوا دارای مزیت است.

 

در عمل تفاوت چندانی بین تجهیزات پمپ حرارتی و ماشین گرمایی وجود ندارد، سیکل هایی که با دفع و جذب حرارت از دو منبع سرد و گرم به تولید کار می پردازند دارای کار خروجی قابل مشاهده می باشند و کار آن ها به طور مستقیم برای راه اندازی بخش های دیگر مورد استفاده قرار می گیرد.

 

موتور گرمایی می تواند در سیکل استرلینگ تا رانکین به کار گرفته شود و از یک سیال عامل بهره گیرد. آزمایش ها نشان داده است که سیکل بسته برای سیستم های خورشیدی بر پایه سیکل جذبی مناسب تر است که در نهایت تقابل بین دو قسمت ماشین از بین برود.

 

3-2-  مزایای سیتم های جذبی

 

سیستم های جذبی دارای مزایای زیر می باشند:

 

  • در گستره وسیعی از دمای چشمه (منبع حرارتی گرم) و چاه (منبع حرارتی سرد) کار می کند.
  • قادرند برای افزایش COP تا چند مرحله دمای چشمه را افزایش دهند.
  • به دلیل نداشتن تجهیزات متحرک زیاد، دارای سر و صدای کمی هستند.
  • سیال عامل آن ها از لحاظ زیست محیطی مناسب است و قابلیت عملکرد در فاز خورشیدی به عنوان پشتیبان حرارتی را دارد.

 

علاوه بر این سیستم های جذبی قادرند تا به عنوان تجهیزات سرمایش در سیستم های خورشیدی به کار گرفته شوند. استفاده و کاربرد سیکل های جذبی از زمان اختراع در قرن نوزدهم بر اساس قیمت نسبی سوخت و الکتریسیته و بهبود در تکنولوژی تراکم مکانیکی و جذب، متفاوت بوده است.

 

3-  سیکل سرمایش جذبی

 

به طور کلی عملکرد سیستم های جذبی مشابه سیستم های تراکمی بوده ولی وابستگی شیمیایی ماده جاذب به مبرد سبب به وجود آمدن اثر سرمایش خواهد شد. این سیکل با در نظر گرفتن 4 جز اصلی آن یعنی جاذب، ژنراتور، کندانسور و تبخیر کننده به طرز مناسبی درک خواهد شد. روش کار چیلر جذبی تک اثره به طور جامع در مراجع معرفی شده. مایع مبرد در فشار و دمای بالا وارد کندانسور و با دور ریختن حرارت خود به مایع تبدیل می شود. به جز سیستم های کاملا کوچک در مابقی موارد از کندانسورهای خنک شونده با آب استفاده می شود. سپس مایع مبرد داغ از طریق یک اوریفیس منبسط و وارد اواپراتور می شود. این مایع که در دما و فشار کمی قرار دارد در جا تبخیر شده و حرارت خود را از محیطی که قرار است سرد شود، دریافت می کند. سپس بخار خروجی از اواپراتور در همان فشار پایین، وارد قسمت جاذب می شود و جذب محلول لیتیم بروماید غلیظ می شود. فرایند جذب به علت قابلیت مولکولی ما بین مبرد و جاذب، امکان پذیر بوده و گرمای ناشی از این عمل به مجموعه دسته لوله جاذب که از آب برج خنک کن یا هر سیستم دور ریزش حرارتی تامین است، انتقال می یابد. معمولا این سیستم با سیستم دور ریزش حرارتی در کندانسور یکی خواهد شد. سپس محلول به وسیله یک پمپ با عبور از یک مبدل حرارتی تماس مستقیم و به منظور بالا بردن دمای مخلوط و افزایش راندمان وارد ژنراتور می شود. در این قسمت با صرف میزان کمی انرژی حرارتی، ماده جاذب از مبرد با افزایش حرارت مخلوط و به علت تفاوت در نقطه جوش جدا و ماده مبرد به سمت کندانسور و محلول غلیظ جاذب به سمت مبدل حرارتی رفته و در آن جا خنک و به جذب کننده برگشته و سیکل کامل می شود.

 

4-تکنولوژی چیلرهای جذبی

 

چیلر جذبی یکی از فناوری های کلیدی در زمینه سرمایش، گرمایش و تامین نیرو برای ساختمان ها می باشد چرا که این سیستم امکانات قابل توجهی را برای تبدیل گرمای هدر رفته به سرمایش در اختیار می گذارد.

 

سرمایشی که از این طریق به دست می آید را می توان به منظور نگهداری و ارتقای کارایی توربین های گازی و ژنراتورهای الکتریکی مورد استفاده قرار داد.

 

1-4-  اصول مفاهیم طرح سرمایش، گرمایش و تامین نیرو برای ساختمان ها : در ساختمان های تجاری و موسسات مختلف که در آن ها از سیستم چیلرهای جذبی استفاده می شود، طرح سرمایش،گرمایش و تامین نیرو برای ساختمان ها بر اساس مفاهیم زیر استوار است:

 

1-1-4- توسعه چیلرهای شعله مستقیم: تاسیسات حرارتی پیشرفته که نسبت به سیستم های شعله مستقیم جدید با تکنولوژی جذبی دو اثره برتری دارند.

 

2-1-4- توسعه تکنولوژی لیتیوم بروماید / آب: مانند نسل طراحی جدید این سیستم، سیستم های یک اثره جذبی ( بازیافت حرارت)،میکرو توربین ها و سیستم های جذبی هم سوز، و چیلرهای هوا خنک لیتیوم بروماید / آب

 

3-1-4-- ارزیابی: منافع بالقوه حاصل از موتورهای درون سوز، توربین های گازی، میکروتوربین ها و سلول های سوختنی.

 

4-1-4- شناسایی: مراکز فعلی تولید نیرو که میتوانند از یکپارچه سازی توسط چیلرهای جذبی ( مانند استفاده از سرمایش برای ورودی توربین های گازی ) منتفع گردند.

 

5-1-4-تقسیم بندی

 

اولین اساس برای تقسیم بندی سیستم های جذبی نوع سیال عامل به کار رفته در آنان است. زوج لیتیم بروماید - آب و آب - آمونیاک معمول ترین سیال های رایج در سیستم های تبرید جذبی هستند. در زوج آب – لیتیم بروماید آب به عنوان مبرد و لیتیم بروماید به عنوان جاذب و در آب – آمونیاک، آب ماده جاذب و آمونیاک مبرد است که در آنان ایجاد نمود. بنابراین برای کاربری های سرماسازی، مورد استفاده قرار می گیرند، در صورتی که سیستم تشریح شده با سیال آب و لیتیم بروماید برای مصارف تهویه به کار برده می شوند. سیالات دیگری نیز در سیستم های جذبی وجود دارند که اخیرا محققان از آن برای سیستم های جذبی خورشیدی استفاده می کنند. زوج هایی مانند CACL2-NH3 و SRCL2-NH3 و سه گانه هایی از قبیل - NAOH-KOH CSOH.

 

5-سیستم های جذبی عادی

 

سیستم های جذبی عادی را همچنین می توان توسط منبع حرارتی در ژنراتورهای آنان تقسیم بندی نمود:

 

  • واحدهای اشتغالی مستقیم که حرارت را به طور مستقیم از طریق اشتعال گاز طبیعی یا هر گونه سوخت فسیلی توسط مشعل تامین می کنند.
  • واحدهای اشتعالی غیر مستقیم که حرارت را از طریق بخار آب تامین می کنند.
  • واحدهای استفاده کننده از گاز خروجی دیگر واحدها (مانند خروجی توربین گاز) یا واحدهای بازیاب حرارت

 

6-کلکتورهای خورشیدی

 

در نهایت مشخصات غالب سیستم های جذبی که هم اکنون مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:

 

  • ساده بودن طراحی بدون وجود اجزا متحرک و کارکرد در دماها و فشار نسبتا پایین
  • نیاز به انرژی الکتریکی کم
  • نرخ بالای دور ریزش حرارتی به منبع بالای گرمایی که نسبت به سیستم های تراکمی نیازمند برج های خنک کن با ظرفیت بالا و انرژی زیاد فن و پمپ این برج ها می باشند.
  • اندازه و وزن نسبتا زیاد این تجهیزات
  • استفاده این سیستم ها از سیالات عامل بی خطر و بدون تاثیرات گرمایشی زمین و بی خطر برای ازون.
  • سیکل های جذبی یک یا چند اثره با سیال عامل آب- لیتیم بروماید

 

میزان دمای لازمه برای ژنراتور این گونه چیلرها حدود 93 تا 132 درجه سانتی گراد است و بخار و آب به کار رفته در ژنراتور این تجهیزات می باید دارای فشار 1.6 تا 2 بار باشد. چنانچه دمای کاری چیلر کمتر از مقدار حداقل فوق باشد راندمان سیکل به شدت کاهش خواهد یافت. اگرچه مطابق با استانداردهای امروزی سیستم های یک مرحله ای از لحاظ حرارتی غیر کارا هستند، همچنین گفتنی است قیمت بخار ارزان بوده و یا در خروجی تجهیزات دیگر به صورت بازیابی حرارتی و کارا مفید هستند. ولی به طور کلی در بهترین حالت ضریب عملکرد این تجهیزات به میزان حدود 0.7 نمی رسد.

 

7-سیستم های جاذب تک اثره خورشیدی

 

سیستم های جاذب تک اثره خورشیدی با COP محدود 0.7 کار می کند. سیستم های یک مرحله ای برای حصول دماهای بالاتر از 100C مناسب نمی باشند، علاوه بر آن بر خلاف سیکل های پمپ حرارتی دیگر، در اثر افزایش بیش از حد دمای ژنراتور، میزان ضریب عملکرد سیکل به علت افزایش در تلفات مخلوط شدن و گردش جریان به شدت کاهش خواهد یافت. به همین علت برای غلبه بر این مشکل و افزایش ظرفیت و راندمان سیکل و بهره گیری از منابع گرمایی با دمای بالا، سیستم جذبی را می توان با استفاده از مراحل بیشتر تبدیل نمود که یکی از اصول آن استفاده از گرمای دفع شده در کندانسور و ژنراتور می باشد. در نتیجه بدون به کارگیری منابع جدید حرارتی خورشید، سرمایش تولیدی را می توان 2 تا 3 برابر افزایش داد. برای این سیستم ها دمای کاری ژنراتور در حدود 188 درجه سانتی گراد و فشار کاری آن 8 بار است. میزان ضریب عملکرد آنان نیز در حدود 1.22 تا 1.19 است. سیستم های جذبی دو اثره از نظر نوع جریان ما بین مبدل های حرارتی به سه دسته تقسیم می شوند. جریان موازی، جریان سری و جریان معکوس. در حالت جریان سری، محلول ضعیف لیتیم بروماید در طول مبدل های حرارتی دمای پایین و دمای بالا، قبل از وارد شدن به ژنراتور اصلی به صورت سری با هم جریان می یابد. در حالت جریان موازی محلول ضعیف بعد از خارج شدن از مبدل حرارتی اولیه، به دو قسمت شده که یکی به مبدل حرارتی جریان بالا و دیگری به ژنراتور ثانویه می رود. در حالت جریان معکوس محلول ضعیف توسط بخار، ژنراتور اصلی قبل از ورود به ژنراتور دوم گرم می شود.

 

نوشتن دیدگاه


تصویر امنیتی
تصویر امنیتی جدید