مقالات

بررسی و مقایسه ترمودینامیکی مبردهای جایگزین R134a در یک سیکل تبرید تراکم بخار

بررسی و مقایسه ترمودینامیکی مبردهای جایگزین R134a در یک سیکل تبرید تراکم بخار

 چکيده

دردهه اخيرمسائل زيست محيطي مرتبط با گازهاي گلخانه اي و تخريب لايه ازون سبب شده است تا تلاشهاي گسترده اي به منظور يافتن جايگزين هاي مناسب براي مبردهاي

مصنوعي فعلي صورت گیرد امروزه مبردهاي طبيعي به علت سازگار بودن با محيط زيست موردتوجه محققين قرارگرفته است.درميان مواد طبيعي موجود، هيدروكربن ها به علت فراواني، ارزان بودن و خواص مناسب ترموفيزيكي بيش ازساير مواد طبيعي شانس مطرح شدن درآينده صنعت تبريد را دارند. یکی از علل تخریب لایه ازون و افزایش گرما ي زمین استفاده از ترکیبات هیدروکلرو فلورو کربن‌ها در مبرد هاست که به دنبال کشف این موضوع تلاش هاي زیادي براي جایگزینی مبردهایی که در سیستم هاي برودتی استفاده می شود، صورت گرفت. مبرد R134aجایگزین مبرد R22است که در سیستم سرمازای وسایل حمل ونقل، سردخانه های تجاری و تهویه مطبوع مورد استفاده قرار می‌گیرد. امروزه مشخص شده است که مبرد  R22برای لایه ازون مضر است. در این مقاله به بررسی ویژگی‌های مبرد R22 و معایب آن پرداخته شده و سپس تحلیل عملکرد یک سیستم تبرید تراکم بخار با مبردهای سازگار با محیط زیست HFC152a،‌ HFC32، HC290، HC1270، HC600aو RE170 انجام پذیرفته و نتایج آن با R134a به عنوان مبرد جایگزینR22 مقایسه گردیده است.

کلمات کليدی: مبرد هيدروكربني، چرخه تبريد تراكمي بخار، عملكرد ترموديناميكي، مبرد سازگار با محیط زیست

مقدمه

در دهه اخیر، مسائل زیست محیطی مربوط به گرم شدن زمین و انتشار گازهای گلخانه‌ای موجب شده تا استفاده از سیستم‌های مبرد سازگار با محیط زیست مورد توجه قرار گیرد. در چهارمین گردهمایی کشورهای امضا کننده ی پروتکل مونترآل که سال 1992 در کوپن هاک برگزار گردید، تصویب شد که استفاده از گروه مبرد HCFC که در مولکول های آن ها اتم کلر وجود دارد و حتی آن هایی که دارای اتم هیدروژن هستند و تا حدی تاثیر کمتری بر لایه ازون دارند باید ممنوع اعلام شوند. دسته ای از این مبردها ، عبارتند از : R22، R124b ، R142b ، R141b .در نشست هفتم که در سال 1995 و در وین برگزار گردید، مقرر شد که استفاده از R22 و دیگر مبردهای HCFC در بازه زمانی بین سال‌های 2020 تا 2040 به‌طور کامل منتفی شود. اما کشورهای صنعتی محدوده ی زمانی حذف این مبردها را بسیار زودتر در نظر گرفته اند ؛ برای مثال سوئیس تاریخ بین سال های 1998 تا 2002 را تعیین کرده  است. آلمان

استفاده از HCFC را در سیستم های برودتی جدید از سال 2000 ممنوع اعلام کرده است. سوئد از سال 2005 و آمریکا اجتناب از R141b را سال 2003 و R22 را سال 2010 و R123  راسال 2020 تعیین کرده است.اتحادیه اروپا نیز از سال 200 خواهان ممنوعیتR22 و R502 است.

مبرد ماده ای است که با جذب گرما از سیکل و انتقال آن به جای دیگر، باعث ایجاد برودت می‌شود که این انتقال گرما توسط تقطیر و تبخیر پی در پی مبردها اتفاق می‌افتد. این مواد، سیال عامل سیکل تبرید، تهویه مطبوع و پمپ های گرمایی هستند.تغییر فازهای ذکر شده، در هر دو سیستم تراکمی و جذبی اتفاق می‌افتند. اما در سیکل گازی که با سیال عاملی مانند هوا کار کند، با تغییر فاز روبه رو نخواهیم شد. طراحی تجهیزات تبرید کاملا وابسته به مشخصات مبرد انتخاب شده می‌باشد. در انتخاب مبرد نیز مواردی مانند گرمای نهان تبخیر زیاد، گرمای ویژه کم، عدم اثرات زیان بار زیست محیطی، سمی نبودن، عدم خوردگی، عدم جذب رطوبت، قابلیت اختلاط با روغن سیستم، عدم قابلیت اشتعال و انفجار، کمترین اختلاف فشار بین تبخیر و تقطیر و سهولت ردیابی به هنگام نشست احتمالی تأثیر گذارند. همچنین راندمان یک سیستم تبرید به تمام اجزای آن مثل کمپرسور، اواپراتور، کندانسور و ... بستگی دارد. اما لازمه کار کردن سیستم با راندمان مورد نظر، انتخاب مبرد مناسب می باشد.

مبرد R22  از مبردهاي سري HCFC هيدرو كلرو فلورو كربن مي‌باشد كه ميزان ODP آن 0.05 و ميزان شاخص GWP آن 1700 مي‌باشد. اين مبرد كه از مبردهاي پركاربرد در ايران مي‌باشد معمولا در كپسول‌هاي 13.5 كيلويي در بازار موجود است.  R22در چيلرهاي تهويه مطبوع ،سردخانه ،يخ ساز و اسپيلت يونيت ها مورد استفاده بوده و در رنج دمايي زير صفر وبالاي صفر مورد استفاده قرار گرفته است.

امروزه مبردهای R22 و R134a به دلیل خواص ترمودینامیکی مناسب و غیرقابل اشتعال بودن، کاربردهای بسیاری در صنایع برودتی، چیلرها و یخچال‌های خانگی دارند. اما به دلیل اثرات مخرب آنها بر روی لایه ازون از ابتدای قرن حاضر تحقیقات بسیاری برای جایگزینی این مبردها با مبردهای طبیعی نظیر هیدروکربن‌ها و آمونیاک انجام شده است.

گرانرید، ‌ضمن مقایسه خواص ترمودینامیکی مبردهای هیدروکربنی با مبردهای R12 و R22 به این نتیجه رسید که مبردهای طبیعی از لحاظ بازدهی انرژی و سازگاری با محیط زیست می‌توانند جایگزین مناسبی برای دو مبرد فوق باشند.

توکلی و امانی با معرفی مبرد R600a به عنوان جایگزینR134a در یخچال‌ها و فریزرها به بررسی و مقایسه ترمودینامیکی این دو مبرد پرداختند.

لی و سو نیز به بررسی تجربی عملکرد سیستم‌های برودتی با مبرد R600a پرداخته و نتایج آن را با R12 و R22 مقایسه کردند که حاصل آن افزایش  ظرفیت خنک‌ کنندگی با مبرد R600a نسبت به مبردهای مصنوعی پیشین بود.

بسکاران و کوشی ماتیوس در مقاله‌ای به بررسی عملکرد مبردهای سازگار با محیط زیست نظیر R1270، R290پرداخته و نتایج آن را R134a مقایسه کرده‌اند.

غالب تحقیقات انجام شده  بر روی عملکرد سیستم‌های تبرید با مبرد R600a متمرکز شده اند و در مورد سایر مبردهای طبیعی هیدروکربنی تحقیقی جامع ارائه نشده است.

در این مقاله، مبردهای R600a، R290، R1270و چند مبرد دیگر با مبرد R134a که به عنوان جایگزین R22 استفاده می‌گردد، مقایسه شده است.

مبردهای جایگزینR22

جدول1، مبردهایی که برای جایگزینیR22 وR502 پیشنهاد شده است ارایه می دهد. مبردهایR134a و  R600aاز بقیه مبردها بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند:

GWP

درجه حرارت تبخیر

فرمول

مبردهای ساده بدون خطر برای ازون

400

26.2-

CF3-CH2F

R134a

1000

47.3-

CF3-CH2

R143a

3

42.1-

C3H8

R290

3

23.8-

CH3)3-CH)

R600a

1<

33-

NH3

R717

0

47.7-

C2H4

R1270

0

103.7-

C3H6

R1150

1000

47.3-

CH2F2

R32

 

از بین مبردهای فوق، R32 و R143a از لحاظ قابلیت اشتعال و بقیه از نظر مصرف انرژی و ضرایب اشتعال حرارت نسبت به  R22بهترند.

به عنوان جایگزینR22، از  مبردهاي طبیعی (خالص ) در درجه ي اول آمونیاك معرفی شده است. تولید آمونیاك در دنیا حدود 120 میلیون تن است که فقط حدود 5 درصد آن در صنایع برودتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما آنچه جلب توجه می کند، قیمت پایین ، بازدهی بالاي سیکل و ضریب انتقال حرارتی و دماي بحرانی این ماده است. ضمن اینکه بی تاثیر بودن نسبت به نفوذ آب به سیستم و تشخیص سریع محل نشست درسیستم و حل نشدن روغن در آمونیاك از مزایاي دیگر این ماده ي خالص است. به خصوص که اثر مخرب بر ازون ندارد و اثر گرمازایی نیز ندارد. نکته هاي منفی درمورد آمونیاك بوي تند، سمی بودن و قابلیت اشتعال و انفجار و سبک تر از هوا بودن است.

مشخصات سیکل مورد بررسی

شکل 1، چرخه تبرید تراکمی بخار را نشان می‌دهد. هرسیکل تبرید تراکمی مطابق شکل از چهار قسمت اصلی تشکیل شده است که این قسمت‌ها عبارتند از: تبخیر کننده، کمپرسور، کندانسور، شیر انبساط .

اساس کار سیکل های تبرید به این گونه است که ماده مبرد قبل از شیر انبساط به صورت مایع با فشار زیاد و در دمای محیط است . پس از عبور از شیر انبساط، فشار و دمای آن کاهش یافته در فشار و دمای پایین شروع به تبخیر می نماید. عمل تبخیر در طول اواپراتور ادامه یافته از مقدار مایع کم شده و به مقدار بخار افزوده می شود تا در خروج از اواپراتور ماده مبرد کاملا تبخیر شده و به صورت بخار خواهد بود . گرمای لازم برای تبخیر ماده مبرد از محیط اطراف اواپراتور گرفته می شود بنابراین در صورتیکه محیط اطراف هوا باشد هوا سرد شده و ایجاد برودت می گردد. بخار خروجی از اواپراتور وارد کمپرسور می شود در کمپرسور طی عمل تراکم، فشار و دمای آن افزایش می یابد و وارد کندانسور می شود . در کندانسور به واسطه عمل گرماگیری که با عبور هوا از روی آن انجام می گیرد دمای مبرد به دمای محیط رسیده و شروع به تقطیر می نماید . در خروج از کندانسور ماده مبرد به صورت مایع تحت فشار زیاد به پشت شیر انبساط می رسد وسیکل تبرید تکرار می شود.

در ادامه مقاله،  تغییر خواص فیزیکی و پارامترهای عملکردی مبردهای خالص و ترکیبی مانند فشار بخار Pevap، ‌کار تراکمی بخار، اثر تبرید RE، توان برحسب یک عمل تبرید، ظرفیت حجمی تبرید (VRC)، دمای تخلبه TDis، دبی جرمی MFR و  ضریب عملکرد COP بررسی شده و برحسب دمای تبخیر Tevap رسم شده‌اند. جداول 3 و 4، نتایج عملکردی و مقدار انحراف مقادیر مبردهای جایگزین R134a ارائه شده است.

نتایج

تغییرات فشار بخار Pevap و نسبت فشار در دمای بخار در شکل 2 و 3 نشان داده شده است. نزدیک‌ترین نسبت فشار مبرد جایگزین R134a مربوط به RE170‌ است که نسبت فشار آن 94/5 درصد کمتر از مقدار مربوط به R134a نشان داده شده در جدول 3 (برای تراکم ثابت و دمای 50 درجه سانتی‌گراد و 10- درجه سانتی‌گراد) می‌باشد. علاوه بر این، مبرد R152a براساس جدول ذکر شده مبرد R152a پایین‌ترین نسبت فشار را دارد. از شکل 2 نتیجه می‌شود که فشار اشباع مبرد RE170 نزدیک‌ترین منحنی را به منحنی فشار بخار مبرد R134 دارد. شکل 4 و 5 نشان می‌دهد که اثر تبرید با افزایش دمای بخار، زیاد شده و به‌طور هم‌زمان توان کمپرسور با افزایش دمای اواپراتور کاهش می‌یابد.

تمامی مبردهای بررسی شده دارای اثر تبرید و کار آیزنتروپیک بالاتری نسبت به R134a هستند. تغییر  ضرایب عملکرد با دمای بخار در شکل 6 نشان داده شده است. از این شکل می‌توان دریافت که با افزایش دما ضریب عملکرد برای عمل تقطیر در دمای 50 درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد. ضریب عملکرد مبردهای جایگزین RE170، R152a و  R600aاز مبرد R134a بیشتر است. در شکل‌های 7 و 8 توان مورد نیاز برای بخار مبرد

نمایش داده شده است. تغییرات ظرفیت تبرید حجمی، دمای تخلیه و دبی جرمی در شکل‌های 9 تا 11 به ‌منظور اعتبارسنجی مزیت سیکل مورد نظر انجام شده است. عملکرد چرخه می‌تواند در کاربردهای زیر سرد و فوق گرم افزایش یابد. در شکل‌های 11a تا 11g  مقایسه بین حالت‌های فوق گرم/ زیر سرد با حالت غیر ایده‌آل مقایسه شده است. مقادیر ضریب عملکرد در حالت فوق گرم / زیر سرد بیشتر از حالت غیر ایده‌آل است.

با توجه به نموارها واضح است که مبرد RE170 بهترین جایگزین برای مبرد R134a است که خود جایگزین مبرد R22 شده است.

 

نویسنده : جناب آقای مهندس حسن خانی

خواندن 55 دفعه آخرین ویرایش در دوشنبه, 17 دی 1397 ساعت 08:51
برای ارسال نظر وارد سایت شوید

درباره ما

شرکت تهویه مطبوع آذر نسیم کار خود را هدف بهبود و افزایش خدمات آغاز نمود و کیفیت و ارائه خدمات را در اولویت کاری خود قرار داد و تا کنون با استقبال بی سابقه ای نیز روبرو شده است.

تماس با ما

آدرس: تهران، میدان پونک، مجتمع تجاری اداری بوستان، واحد 778
تلفن:   44624467  -  44499440-021
ایمیل: این آدرس ایمیل توسط spambots حفاظت می شود. برای دیدن شما نیاز به جاوا اسکریپت دارید
کد پستی: 96934 - 14768
بالا
_____ _______ AzarNasim HVAC Systems +98-21-44499440 info@azarnasim.com