بررسی ترمودینامیکی سیستم تبرید اجکتوری

پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

رشته مهندسی مکانیک -گرایش تبدیل انرژِی

عنوان:

بررسی ترمودینامیکی سیستم تبرید اجکتوری

فهرست مطالب

۱فصل اول…. ۱

۱-۱مقدمه  2

۱-۲اجکتور   3

۱-۳تعریف اجکتور: ۵

۱-۴فرضیه‌ها و شرایط مرزی پژوهش حاضر   7

۱-۵متغیرهای مسئله حاضر   Error! Bookmark not defined.

۱-۶اهداف تحقیق   7

۱-۷ساختار پایان‌نامه    Error! Bookmark not defined.

۲فصل دوم . ۹

۲-۱مقدمه  10

۲-۲پژوهش های سیستم تبرید اجکتوری   Error! Bookmark not defined.

۲-۳تئوری اختلاط در فشارثابت    11

۲-۳-۱مببرد های مورداستفاده. Error! Bookmark not defined.

۲-۴پژوهش حاضر   Error! Bookmark not defined.

۲-۵جمع بندی فصل     Error! Bookmark not defined.

۳فصل سوم. ۱۹

۳-۱مقدمه    20

۳-۲معرفی نرم‌افزار     20

۳-۲-۱حل اولین معادله و استفاده از بخش معادلات فرمت شده. ۲۲

۳-۲-۲نوشتن معادلات خوش فرم ( حروف یونانی، زیر نویس، فرمتهای خاص). ۲۳

۳-۳معادلات حاکم   Error! Bookmark not defined.

۳-۳-۱فرضیات وداده‌های اولیه مسئله    Error! Bookmark not defined.

۳-۳-۲فرموله کردن مسئله اجکتور.. Error! Bookmark not defined.

۳-۳-۳نسبت جرمی اجکتور.. Error! Bookmark not defined.

۳-۳-۴تعاریف و محدودیتهای ترمودینامیکی              45

۳-۳-۵زیر سیستم سیکل سرمایش اجکتور.. ۴۶

۳-۳-۶نسبت جرم و ضرایب عملکرد. Error! Bookmark not defined.

۳-۴- اعتبار سنجی.. ۵۹

۴فصل چهارم ۵۸

۴-۱مقدمه  Error! Bookmark not defined.

۴-۲نتایج شبیه‌سازی       59

۴-۳شرایط مرزی اولیه : ۶۰

۴-۴بررسی تأثیر نوع سیال برعملکرد  اجکتور   Error! Bookmark not defined.

۴-۵بهینه‌سازی طرح    66

۴-۶فریون گاز R22  Error! Bookmark not defined.

۴-۷نتیجه گیری       Error! Bookmark not defined.

۵فصل پنجم. ۸۴

۵-۱جمع بندی و نتیجه گیری   85

۵-۲نتایج کلی تحقیق   86

۵-۳پیشنهاد کار برای آیندگان   87

فهرست اشکال

شکل ‏۱‑۱ نمایی از یک اجکتور.. ۵

شکل ‏۳‑۱ آیکون‌های مهم در برنامه EES. 22

شکل ‏۳‑۲ توابع موجود در نرم‌افزار موردبررسی… ۲۶

شکل ‏۳‑۳ نمایی از شکل اولیه موردبررسی… Error! Bookmark not defined.

شکل ‏۳‑۴ دیاگرام شماتیک سیکل سرمایش اجکتوری… ۴۶

شکل ‏۳‑۵ مراحل عملیاتی در یک اجکتور.. ۴۷

شکل ‏۳‑۶ عملکرد سیکل اجکتور.. ۴۸

شکل ‏۳‑۷  سیالات عامل استفاده‌شده در سیکل اجکتور در  مقالات علمی و تحقیقات…. ۵۶

شکل ‏۳‑۸  اعتبار سنجی کار حاضر باکار جیانگیان و همکاران [۴۰] ۶۰

شکل ‏۴‑۱   میزان خطا کار حاضر باکار یابچی… ۶۲

شکل ‏۴‑۲  تغییرات μ برحسب ηd   و برای گاز  r123. 63

شکل ‏۴‑۳  تغییرات μ برحسب η n  و برای گاز  r123. 64

شکل ‏۴‑۴  تغییرات μ برحسب η m  و برای گاز  r123. 64

شکل ‏۴‑۵  تغییرات μ برحسب η n  و برای گاز  r141b. 65

شکل ‏۴‑۶  تغییرات μ برحسب η m  و برای گاز  r141b. 65

شکل ‏۴‑۷  تغییرات μ برحسب η d  و برای گاز  r141b. 66

شکل ‏۴‑۸ تغیرات دما به نسبت سطح.. Error! Bookmark not defined.

شکل ‏۴‑۹  تغییرات میو نسبت به دما Error! Bookmark not defined.

شکل ‏۴‑۱۰ تغییرات h نسبت به انتروپی های مختلف برای گاز R141b. Error! Bookmark not defined.

شکل ‏۴‑۱۱ تغییرات دما نسبت به انتروپی های مختلف برای گاز R141b. Error! Bookmark not defined.

شکل ‏۴‑۱۲ تغییراتCOP نسبت به دما های مختلف برای گاز R123. Error! Bookmark not defined.

شکل ‏۴‑۱۳ تغییراتCOP نسبت به دما های مختلف برای گاز R141b. Error! Bookmark not defined.

شکل ‏۴‑۱۴ تغییرات سطح  نسبت به دما های مختلف برای گاز R123. Error! Bookmark not defined.

شکل ‏۴‑۱۵ تغییرات سطح  نسبت به دما های مختلف برای گاز R141b. Error! Bookmark not defined.

شکل ‏۴‑۱۶ تغییر ضریب سوار نسبت ضریب عملکرد. ۶۷

شکل ‏۴‑۱۷ تغییر نسبت سطح نسبت ضریب عملکرد. ۶۸

شکل ‏۴‑۱۸ تغییر  COP نسبت ضریب عملکرد. ۶۹

شکل ‏۴‑۱۹ میزان ضریب سوارشدن نسبت به ضریب عملکرد. ۷۰

شکل ‏۴‑۲۰ میزان نسب سطح نسبت به ضریب عملکرد. ۷۰

شکل ‏۴‑۲۱ میزان ضریب سوارشدن نسبت به راندمان اجکتور.. ۷۱

شکل ‏۴‑۲۲ تغییرات نسبت سطح برحسب دمای اجکتور.. ۷۲

شکل ‏۴‑۲۳ تغییرات راندمان اجکتور و نسبت سطح.. ۷۳

شکل ‏۴‑۲۴ تغییرات راندمان اجکتور برحسب μ.. ۷۴

شکل ‏۴‑۲۵ تغییرات دمای کمپرسور  برحسب μ.. ۷۵

شکل ‏۴‑۲۶ تغییرات دمای کمپرسور  برحسب ضریب سطح.. ۷۵

شکل ‏۴‑۲۷ تغییرات دمای کمپرسور  برحسب  فشار.. ۷۶

شکل ‏۴‑۲۸ محدوده‌های فشار در کمپرسور ، ژنراتور و اجکتور.. ۷۷

شکل ‏۴‑۲۹ ضریب عملکرد برای گاز R-123 به ازای دماهای… ۷۸

شکل ‏۴‑۳۰ ضریب عملکرد برای گاز R-134 به ازای دماهای… ۷۸

شکل ‏۴‑۳۱ :دیاگرام دما برحسب  آنتروپی  برای گاز R-22. Error! Bookmark not defined.

شکل ‏۴‑۳۲  دیاگرام دما برحسب آنتروپی برای آمونیاک…. Error! Bookmark not defined.

شکل ‏۴‑۳۳: دیاگرام دما برحسب آنتروپی برای  گاز R-12. Error! Bookmark not defined.

شکل ‏۴‑۳۴: تغییرات Μ برای گازهای جدید نسبت به دمای کمپرسو متغیری… ۸۰

شکل ‏۴‑۳۵  تغییرات ضریب سوار شدگی برحسب دمای کمپرسور گازهای جدید. ۸۱

شکل ‏۴‑۳۶ مقایسه ضریب عملکرد گازهای فریون در سیستم اجکتوری تهویه مطبوع وبرمبنای تغییرات ضریب عملکرد با دمای اواپراتور.. ۸۱

فهرست جداول

جدول ‏۴‑۱ نتایج کلی اجکتور.. ۶۸

جدول ‏۴‑۲ خلاصه نتایج ارائه‌شده در تحقیق… ۷۶

جدول ‏۴‑۳ خلاصه عملکرد در خصوص نوع مبرد. ۷۹

جدول ‏۴‑۴ عملکرد گازهای مختلف…. ۸۰

جدول ‏۴‑۵ عملکرد گازهای مختلف…. ۸۲

نمادها
نمادنام فارسینام انگلیسیواحد
TدماTemperatureK
LطولLengthCm
چگالیDensityKg/m3
علائم یونانی
نمادنام فارسینام انگلیسیواحد
    
    
زیرنویس ها
نمادنام فارسینام انگلیسیواحد
    
      

چکیده

انرژی عامل مهمی در ایجاد سرمایه و پیشرفت اقتصادی هست. با توجه به افزایش روزافزون بهای حامل‌های انرژی و انرژی بری قابل‌توجه سیستم‌های تهویه قدیمی، سیستم‌های خنک‌کننده جدید توجه زیادی به خود جلب کرده و به‌عنوان جایگزینی مناسب برای خنک کردن فضای مسکونی و تجاری معرفی‌شده است. یکی از این سیستم‌ها، سیستم سرمایش سیکل اجکتوری است. که یک انتخاب مناسب برای تولید برودت به‌منظور تهویه مطبوع فضاهای یادشده است. ای سیستم ها در دماهای پایین (بین ۷۰ تا ۹۰ درجه سانتی‌گراد) راه‌اندازی می‌شود سیستم خنک‌کننده اجکتوری انرژی بسیار کمتری در مقایسه با کولرهای قدیمی که با کمپرسور کار می‌کردند، مصرف خواهد کرد. علاوه بر این، سیکل اجکتوری ساده، قابل‌اعتماد، مناسب برای ساختمان‌ها و سازگار با محیط است. برای شبیه‌سازی  ترمودینامیکی اجکتور از نرم‌افزار EES استفاده‌شده و نتایج نشان می‌دهد که. با افزایش دمای ژنراتور و دمای تبخیرکننده نسبت سوار کردن هم افزایش می‌یابد، درحالی‌که افزایش دمای چگالنده منجر به کاهش تدریجی نسبت سوار کردن می‌گردد. نسبت محیط اجکتور باید به‌گونه‌ای تنظیم شود تا عملکرد مطلوب سیستم خنک‌کنندهٔ اجکتور تحت شرایط کاری مختلف حفظ شود. نسبت سوار کردن، نسبت محیط و فشار اختلاط بیشترین حساسیت را نسبت به تغییر در شرایط چگالنده دارند. بازدهی‌های اجکتور از پارامتر مهم در مدل بررسی‌شده است و می‌توانند منجر به تغییرات قابل‌ملاحظه‌ای در نسبت سوار کردن شوند. نازل و بازدهی‌های اختلاط بر نسبت محیط تأثیر بیشتری بر بازدهی منتشرکننده دارند . به‌هرحال فشار اختلاط بیشترین حساسیت را نسبت به تغییرات در بازدهی منتشرکننده دارد.

کلمات کلیدی: سیکل اجکتور- سیستم سرمایش تبخیری – جریان چگالش

۱-       فصل اول

کلیات تحقیق

۱-۱-    مقدمه

سیکل تبرید اجکتوری به دلیل ایجاد سرمایش موردنیاز ساختمان‌ها با استفاده از منابع انرژی باکیفیت پائین امروزه موردتوجه محققین زیادی قرارگرفته است باوجوداینکه این سیکل در مقایسه با سیکل تبرید تراکمی از راندمان کمتری برخوردار است ولی مصرف کم برق آن و همچنین نبود قطعات متحرک در این سیستم ها می‌تواند دلیل قانع کننده‌ای برای جایگزینی این سیکل به­جای سیکل‌های تبریدی تراکمی معمولی باشد. شکل (۱-۱) طرح ترسیمی سیکل تبرید اجکتوری را نشان می‌دهد که بویلر، اجکتور و پمپ به‌جای کمپرسور در سیکل‌های تراکمی تبخیری استفاده‌شده است. گرمای داده‌شده از ژنراتور به سیال مبرد، دمای آن را می‌افزاید و با حرکت سیال اولیه در نازل همگرا –واگرا، مبرد فشار کم در اپراتور است که در آن مبرد تبخیر می‌شود و سیال اولیه و ثانویه مخلوط شده به کندانسور وارد می‌گردد. عمل تقطیر در کندانسور عموماً در دمای محیط صورت می‌گیرد. بخشی از سیال مبرد، توسط پمپ به ژنراتور می‌رود و بخش دیگر به‌وسیلهٔ شیر انبساط به اپراتور وارد می‌شود. در این سیکل، اجکتور قلب سیستم است که در آن به کمک انرژی جنبشی سیال اولیه، سیال ثانویه به حرکت درآورده می‌شود فشار سیال مخلوط شده در خروجی اجکتور، بین فشار اولیه و سیال ثانویه است. طراحی اجکتور، بر اساس محل قرارگیری نازل به دو روش انجام می‌شود. اگر خروجی نازل در بخش سطح مقطع ثابت اجکتور باشد، اختلاط جریان‌های اولیه و ثانویه در این ناحیه صورت می‌گیرد و تئوری اختلاط در بخش سطح مقطع ثابت استفاده می‌شود. اگر انتهای نازل در بخش مکش باشد، اختلاط این جریان‌ها در بخش مکش و در فشار ثابت است که در این روش، به تئوری اختلاط در فشار ثابت معروف است[۱]. اجکتور مهم‌ترین بخش سیکل تبرید اجکتوری بوده و با توجه به پدیده‌های پیچیده و مختلف مکش، اختلاط، انبساط و…. که در آن اتفاق می‌افتد، نیاز به تحلیل جداگانه و دقیق دارد. در این مطالعه، با مدل‌سازی عددی اجکتور تحلیل ترمودینامیکی و سیالاتی ‌شده و کمیت‌هایی از قبیل فشار، دمای خروجی و نسبت دبی جریان ثانویه به جریان اولیه، از طریق این مدل‌سازی تعیین و در تحلیل سیکل از آن‌ها استفاده‌شده است.

نتیجه تصویری برای ‪Draw cycle design of the refrigeration cycle. Ejector‬‏

شکل ‏۱‑۱ سیکل تبرید اجکتوری

۱-۲-    اجکتور

اجکتورها (شکل ۱-۲) دارای یک شیپوره همگرا-واگرای درونی هستند اجکتور نام عمومی جتی است که قادر به تخلیه محصولات مختلف در فازهای گازی، محلول و جامد (پودر، گرانول یا لجن) بوده و دارای اسامی مختلفی مانند پمپ جت خلأ، ترمو کمپرسور، اسکرابر گاز و غیره هست تئوری عملیاتی انواع اجکتورها مشابه یکدیگر هست اجکتورها تا حدودی قیمت‌هایی کمتر و هزینه نگهداری کمتری نسبت به پمپ‌ها دارند سیال از یک‌سوارد اجکتور شده و پس از عبور از گلوگاه اجکتور وارد خروجی می‌گردد در دهانه خروجی سرعت مخلوط خروجی کمتر از سرعت سیال در ورودی اجکتور هست اما درهرصورت سرعت سیال خروجی بیشتر از سرعت صوت در خروجی اجکتور هست[۱].

   اجکتور ، تجهیزی که قادر است با ایجاد خلأ، جریان گاز، مایع و یا جامد مانند پودر، گرانول و لجن را انتقال دهد و اساس کار آن بر پایه تبدیل انرژی سرعتی و فشاری به یکدیگر است.

اجکتورها یکی از تجهیزات مهم مورداستفاده در صنایع می‌باشند. اجکتورها دوظیفه عمده بر عهده‌دارند که عبارت از ایجاد خلأ و تخلیه گازها و دیگر مخلوط کردن سیالات هست.

۲-       فصل دوم

مبانی تحقیق و مروری بر تحقیقات انجام‌شده

۲-۱-    مقدمه

درزمینهٔ سیستم‌های اجکتوری، کارهای متعددی صورت گرفته است. مهم‌ترین تحقیقات به‌صورت خلاصه که توسط محققین بین‌المللی و داخلی انجام‌شده است در بخش زیر آورده شده است.

۲-۲-    پیشینه تحقیقات انجام‌شده

ازجمله کارهای صورت گرفته، می‌توان به پژوهش کنان و همکاران [۵] که به مطالعهٔ تئوری فرایندهای درون اجکتور پرداختند و یک مدل یک‌بعدی بر اساس روابط دینامیک گاز و تئوری اختلاط ارائه کردند؛ اما مدل آن‌ها دارای ضعف‌های زیادی بود و نمی‌توانست اثر ظرفیت ثابت را هنگامی‌که فشار خروجی (فشار کندانسور) کاهش می‌یابد، توجیه کند. روسلی و همکاران [۶] یک اجکتور با سیال عامل b141R را مدل‌سازی و مشاهده کردند که در پایین‌دست شوک‌ها، جریان‌های برگشتی به سمت محفظهٔ مکش ایجاد می‌شود.

حمیدی و همکاران [۷] مطالعهٔ خویش را بر روی اجکتور هوا معطوف و ملاحظه کردند که مدل k-ε نتایج بهتری را برای مدل‌سازی جریان متلاطم فراهم می‌کند. پیانسونگ و همکاران [۸] استفاده از مدل تقارن محوری اجکتور برای در نظر گرفتن اثر سه‌بعدی مناسب است و توجه خود را به مطالعهٔ آزمایشگاهی و عددی اجکتور مافوق صوتی معطوف کردند. آن‌ها نتیجه گرفتند که مدل متلاطم RNG برای تخمین پدیدهٔ شوک مناسب‌تر است.

ژیو همکاران [۹] به کمک دینامیک سیالات محاسباتی، به بررسی کمیت‌های هندسی اجکتور در سیکل تبرید پرداختند و مشاهده کردند که برای طراحی اجکتور با عملکرد مکشی بالا، موقعیت خروجی نازل باید طوری انتخاب شود که جریان ثانویه به‌اندازهٔ کافی توسط جریان اولیه در محفظهٔ اختلاط شتاب گیرد.

۲-۳-    تئوری اختلاط در فشارثابت[۱]

تئوری اختلاط در فشارثابت برای اولین بار توسط کنان و همکاران [۱۰] ارائه شد. آن‌ها فشار جریان را در محفظهٔ اختلاط تا بخش سطح مقطع ثابت، یکسان در نظر گرفتند. بر اساس این تئوری، رگداکیس و الکسیس [۱۱] یک مدل اجکتور دوفازی با در نظر گرفتن خواص واقعی ارائه کردند. کایروآنی و همکاران [۱۲] نیز با اعمال تأثیر اصطکاک و بازده انرژی، مدل جامعی ارائه کردند. سلوارج و مانی [۱۳] به بررسی اثر ابعاد اجکتور و شرایط عملیاتی بر عملکرد سیکل با سیال عامل a134R به روش آزمایشگاهی پرداختند و مشاهده کردند که دمای ژنراتور، اواپراتور و کندانسور در عملکرد اجکتور، تأثیر بسزایی دارد و با انتخاب مناسب این دماها می‌توان برای اجکتور، به بالاترین مقدار ضریب عملکرد دست‌یافت.

خلیدی و زایونیا [۱۴] آزمایش‌هایی روی اجکتور با دمای ژنراتور، کندانسور و اواپراتور به ترتیب برابر ۷/۱۰۰، ۸/۴۴ و ۸/۵۵ درجهٔ سلسیوس انجام دادند و ضریب عملکرد سیستم را ۲۶/۰ به دست آوردند. در این تحقیق، سیال کاری ۱۱۳R است. در سال ۲۰۰۱ هیونگ و همکاران [۱۵] عملکرد سیستم تبرید اجکتور خورشیدی را با سه نمونه جمع کنندهٔ خورشیدی بررسی کردند. آن‌ها نشان دادند که با انتخاب مناسب دمای ژنراتور با صفحات جمع کنندهٔ معمول، یک ضریب عملکرد بهینه برای سیکل به دست می‌آید.

سان و دیگر همکاران [۱۶] به بررسی نقش سیال عامل بر عملکرد سیکل پرداخت. وی ملاحظه کرد که از بین سیالات عامل موردمطالعه، آب کمترین و a152R بیشترین ضریب عملکرد را دارد. هانگ و همکاران [۱۷] یک سیستم تبرید اجکتور خورشیدی با مبرد b141R را توسعه دادند. آن‌ها نشان دادند که عملکرد این سیستم به‌شدت وابسته به سیال عامل است و ضریب عملکرد سیکل اجکتوری را ۵/۰ به دست آوردند. لی بالانس [۱۸] یک اجکتور با سیال عامل آب ابداع کرد و مشاهده کرد که سیکل دارای ضریب عملکرد پایین است. چن و همکاران [۱۹] با ارائهٔ یک مدل تحلیلی، به ارزیابی عملکرد بهینهٔ اجکتور در سیکل تبرید و به دست آوردن هندسه مناسب برای عملکرد بهینهٔ اجکتور در سیکل تبرید و به دست آوردن هندسه مناسب برای عملکرد بهینه پرداختند. سیال‌های عامل در کار آن‌ها فقط دو مبرد ۱۲۳ R و b141R است؛ همچنین تأثیر ابعاد اجکتور بر عملکرد آن، به‌طور مفصل بررسی‌شده است. یو همکاران [۲۰] مطالعهٔ تئوری بر سیکل تبرید اجکتوری با یک اجکتور دومرحله‌ای و با مبرد جدید ۳۲ R پرداختند و این مبرد را ازنظر بهبود ضریب عملکرد سیکل تبرید نسبت به مبرد ۲۲ R توصیه کرده‌اند. منشأ پیدایش اجکتورها بخار در قاره اروپا هست. اولین کارها درزمینهٔ اجکتورها توسط گیفارد در دهه ۱۸۵۰ انجام گرفت. ارنست کورتینگ و الکساندر فریدمان در سال ۱۸۶۹ در شهر وین اطریش طراحی و ساخت انژکتور دیگ بخاری را که بر مبنای ساختار اجکتور بود انجام دادند. در سال ۱۸۷۱ ارنست کورتینگ و برادرش برتلد کارخانه کوچکی را در آلمان احداث کردند که تولیدات این کارخانه اختصاص به ساخت انژکتور و جت پمپ داشت. بررسی سوابق کورتینگ در سال‌های ۱۸۷۱ تا ۱۸۷۶ نشان می‌دهد که در آن اجکتورها از یک نازل همگرا استفاده می‌کردند که سیال محرکشان نیز آب بود. در سال ۱۸۷۶ ارنست کورتینگ، اجکتوری را طراحی کرد که به‌عنوان اولین نوع از نسل جدید اجکتورها بخار امروزی شناخته می‌شود. کارل گوستاو پاتریک دلاول مخترع سوئدی که توربین­های عکس‌العملی را اختراع کرد سهم بزرگی در گسترش اصول تئوری طراحی نازل‌های همگرا –واگرا که در اجکتورها بخار سال‌های ۱۸۹۰ استفاده می­شد، هشدار دارد. بنابراین اروپائیان نازل‌های همگرا- واگرا را دلاول می­نامند. ارنستکورتینگوالشوت در سال ۱۸۷۶ درفیلاد کارخانه لشوتوکورتینگ را که شاخه‌ای از کارخانه کورتینگ در آلمان است بنا نهادند. این کارخانه اولین سازنده اجکتورها بخار بود. اکنون این کمپانی زیرمجموعه‌ای از کمپانی آمتک هست اجکتور، قلب سیستم تبرید با اجکتور در سال ۱۹۰۱ برای خارج کردن هوا از کندانسور موتور بخار توسط Charles Parsons اختراع شد و در سال ۱۹۱۰ توسط Leblanc Maurice، در اولین سیکل تبرید با اجکتور بخار استفاده گردید. تکنولوژی ساخت اجکتورها به­تدریج به سایر کمپانی‌های آمریکایی گسترش یافت و در دو دهه بین سال‌های ۱۹۰۰ و ۱۹۲۰ کارخانه وستینگهاس و الیوت اجکتور بخار تولید می‌کردند. کمپانی کرول –رینولدز شاید مشهورترین این کمپانی‌ها در آمریکا باشد که توسط سام کرول و فیل رینولدز در سال ۱۹۱۷ ساخته شد. مؤسسه مبدل­های حرارتی یا اختصاراً HEI) که یک شرکت تجاری بین‌المللی بود و توسط سازندگان کندانسور و اجکتور بنا شد در سال ۱۹۳۳ سازمان گرفت. (HEI) ا ، اولین کتاب روش‌های استاندارد آزمایش اجکتورها بخار را در سال ۱۹۳۸ منتشر کرد. از آن زمان تاکنون کمپانی‌های دیگری نیز به ساخت اجکتورها مشغول هستند.

امروزه قسمت عمدهٔ سیسـتم هـا ی تبریـد در بخـش تهویـهٔ مطبـوع و سردخانه‌ها، از نوع سیکل‌های تبرید تراکمی بخار است. این سیستم ها باوجود ضریب عملکرد با، دارای مصرف انرژی و آلودگی زیست‌محیطی هستند. با توجه به محدودیت منابع انرژی و نیاز به کاهش آثار مخرب زیست‌محیطی، استفاده از سیستم‌های تبرید با نیروی محرکهٔ حرارتی، موردتوجه قرارگرفته است. یکی از این سیستم‌ها، تبرید اجکتوری است که مزیت مهم آن، قابلیت استفاده از منابع حرارتی با سطح دمای نسبتاً پایین از قبیـل انـرژی گرمـایی تلف‌شده در دود خروجی از وسایل نقلیه است. انرژی خورشـیدی نیـز منبـع حرارتـی دیگری برای به حرکت درآوردن سیستم‌های اجکتوری اسـت کـه در سیستم‌های خنک‌کن هـوای مسـکونی اسـتفاده می‌شود. بـرخی از سیستم­های تراکمی، سیکل اجکتوری نیاز به کمپرسور ندارد و در آن یک اجکتور و پمپ جایگزین کمپرسور می‌شود. دیگر مزایای این سیسـتم شامل سادگی و عدم وجود قسمت متحرک، نیاز نداشتن به روغن‌کاری و همچنین کارکرد بدون صدای آن است که باعث افزایش ضریب اطمینان این سیستم می‌شود. همچنین هزینه‌های اولیه و جاری سیستم اجکتوری بسیار پایین است؛ هرچند کـه از مشـکلات  اصـلی آن می‌توان بـه پایین بودن بازده آن اشاره کرد. البته کاربردهای اجکتور بسیار وسیع بوده و محدود به سیکل تبرید نیست. علاوه بر سیکل تبرید اجکتـوری، از موارد استفادهٔ اجکتور می‌توان به استفاده در سیکل تصفیه و تفکیک نفت خام در پالایشگاه‌ها، تخلیهٔ یک طرفهٔ مایعات (اجکتور همانند یک تلمبه عمل می‌کند)، افزایش فشار سیالات (ترموکمپرسورها)، مکش مایعات، محلول‌ها و حتی ذرات جامد، هـم زدن مایعـات و اخـتلاط گازهـا در مخازن نگهداری، راکتورهای شیمیایی و حوضچه‌های خنثی‌سازی، تولید خلأ در سیستم‌های تبرید جت بخار، هوادهی در حوضچه‌های پرورش ماهی و میگو تصفیهٔ فاضلاب با تولید حباب‌های کوچک‌تر نسبت به سایر دستگاه‌ها، هوادهی به مناطق کم اکسیژن در معادن و مخازن بزرگ به هنگام عملیات حفاری و در انتهای نازل راکت با وظیفهٔ افزایش رانش راکت، اشاره کرد.

کنان و همکاران [۲۰] به مطالعهٔ تئـوری فرایندهای درون اجکتـور پرداختند و یک مدل یک‌بعدی بر اساس روابط دینامیک گاز و تئـوری اختلاط ارائه کردند؛ اما مدل آن‌ها دارای ضعف‌های زیـادی بـود و نمی‌توانست اثر ظرفیت ثابت را هنگامی‌که فشـار خروجـی (فشـار کندانسور) کاهش می‌یابد، توجیه کنـد. روسـلی و همکـاران [۲۱] یـک اجکتور با سیال عامل R141b را مدل‌سازی و مشـاهده کردنـد کـه در پایین‌دست شوک­ها، جریان‌های برگشتی به سمت محفظهٔ مکش ایجاد می‌شود. حمیدی و همکاران [۲۲] مطالعهٔ خویش را بر روی اجکتور هوا معطوف و ملاحظه کردند که مدل k-ε نتایج بهتری را برای مدل‌سازی جریان متلاطم فراهم می‌کند. پیانسونگ و همکاران [۲۳] نشان دادند که استفاده از مدل تقارن محوری اجکتور برای در نظر گرفتن اثر سه‌بعدی مناسب است و توجه خود را به مطالعهٔ آزمایشگاهی و عددی اجکتور مافوق صوتی معطوف کردند. آن‌ها نتیجـه گرفتنـد کـه مـدل مـتلاطم ۱RNG برای تخمین پدیدهٔ شوک مناسب‌تر است. ژیو همکاران [۲۴] به کمک دینامیک سیالات محاسباتی، به بررسـی کمیت‌های هندسـی اجکتور در سیکل تبرید پرداختند و مشاهده کردند کـه بـرای طراحـی اجکتور با عملکرد مکشی با، موقعیت خروجـی نـازل بایـد طـوری انتخاب شود که جریان ثانویه به‌اندازهٔ کـافی توسـط جریـان اولیـه در محفظهٔ اختلاط شتاب بگیرد. تئوری اختلاط در فشارثابت برای اولین بار توسط کنان و همکاران [۲۵] ارائـه شـد. آن‌ها فشـار جریـان را در محفظهٔ اختلاط تا بخش سطح مقطع ثابـت، یکسـان در نظـر گرفتنـد. بر اساس این تئوری، رگداکیس و الکسیس [۲۶] یک مـدل اجکتـور دوفازی با در نظر گرفتن خواص واقعی ارائه کردند. کایروآنی و همکاران [۲۷] نیز با اعمال تأثیر اصـطکاک و بـازده انـرژی، مـدل جـامعی ارائـه کردند. سلوارج و مانی [۲۸] بـه بررسـی اثـر ابعـاد اجکتـور و شـرایط عملیاتی بر عملکرد سیکل با سیال عامل R134a به روش آزمایشگاهی پرداختند و مشاهده کردند که دمای ژنراتور، اواپراتور و کندانسـور درعملکرد اجکتور، تأثیر به سزایی دارد و با انتخاب مناسـب ایـن دماهـا می‌توان برای اجکتور، به بالاترین مقدار ضریب عملکرد دست‌یافت. خلیدی و زایونیا [۲۹] آزمایش‌هایی روی اجکتور بـا دمای ژنراتـور، کندانسور و اواپراتور به ترتیب برابر ۷/۱۰۰، ۸/۴۴ و ۸/۵۵ درجهٔ سلسیوس انجام دادند و ضـریب عملکـرد سیسـتم را ۲۶/۰ بـه دسـت آوردند. در این تحقیق، سیال کاری ۱۱۳R است. سان [۳۱] به بررسی نقش سیال عامل بر عملکرد سیکل پرداخت. وی ملاحظه کـرد کـه از بین سیالات عامل موردمطالعه، آب کمترین و R152a بیشترین ضریب عملکرد را دارد. هانگ و همکاران [۳۲] یک سیسـتم تبریـد اجکتـور خورشیدی با مبرد R141b را توسعه دادند. آن‌ها نشان دادند که عملکرد این سیستم به‌شدت وابسته به سیال عامـل اسـت و ضـریب عملکـرد سیکل اجکتوری را ۵/۰ به دست آوردند. لی با نس [۳۳] یک اجکتور یا سیال عامـل آب ابـداع و مشـاهده کـرد کـه سـیکل دارای ضریب عملکرد پایین است. چن و همکاران [۳۴] با ارائهٔ یک مـدل تحلیلـی، به ارزیابی عملکرد بهینهٔ اجکتـور در سـیکل تبریـد و بـه دسـت آوردن هندسه مناسب برای عملکرد بهینه پرداختند. سیال‌های عامـل در کـارآن‌ها فقط دو مبرد R123 و R141b است؛ ولی تأثیر ابعـاد اجکتـور بـرعملکرد آن، به‌طور مفصل بررسی‌شده است. یو همکاران [۳۵] یک مطالعهٔ تئوری بر سیکل تبرید اجکتوری با یک اجکتور دومرحله‌ای و با مبرد جدید R32 پرداختند و این مبرد را ازنظر بهبود ضریب عملکرد سیکل تبرید نسبت به مبردR22 توصیه کرده­اند.

هوآنگ چانگ و همکارانش در ۱۹۹۸[۳۴] یک سیستم سرمایش اجکتور خورشیدی با استفاده از R141b توسعه دادند که ضریب عملکرد کلی سیکل ۰٫۲۲ به دست آمد. همچنین دمای ژنراتور ۹۵ در جه سانتی‌گراد و دمای او اپراتور ۸ درجه سانتی‌گراد و میزان تابش خورشیدی ۷۰۰ وات بر مترمربع بوده است.

 استرادا و همکارانش در ۱۹۹۶ [۳۵] و سولوکف و همکارانش در ۱۹۹۳[۳۶] تحقیقاتی بر روی چند هالو کربن مانند R142b، R113، R114 انجام دادند. نتایج بیانگر کارایی بالای این مبردها بوده است.

مانی و همکارانش در ۲۰۰۱ [۳۷] بر روی مبردهایی مانند R123،R134a،R152a و آمونیاک تحقیقاتی انجام دادند و نتیجه گرفتند کارایی سیکل بیش از این­که به نوع مبرد بستگی داشته باشد به نحوه طراحی اجکتور و چگونگی فرآیند تراکم آن‌ها بستگی دارد.

برخی مبردهای بی‌خطر برای محیط‌زیست مانند بوتان نرمال نیز موردمطالعه قرارگرفته‌اند. لاند ویست در ۲۰۰۲[۳۸] از بوتان به‌عنوان سیال عامل در سیکل سرمایش اجکتوری استفاده کرد. نتایج نشان داد، به دلیل حجم کوچک بخار بعد از اواپراتور به اجکتوری با ابعاد کوچک‌تر نسبت به سایر مبردها لازم است. به دلیل قیمت نسبتاً بالای بوتان از ایزوبوتان نیز در تحقیقات استفاده شد که نتایج مشابهی به دست داد. به دلیل اشتعال‌پذیری بالای هیدروکربن‌ها می‌توان آن‌ها را رقبای مبردهای کلر دار دانست. هیدروکربن­ها برای دستگاه‌های سرمایش با ظرفیت پایین مناسب می‌باشند و سازگار با محیط‌زیست هستند اما به‌شدت اشتعال‌پذیرند. تحقیقات نشان می‌دهد برای دمای تولیدشده بین ۷۰ الی ۱۵۲ درجه سانتی‌گراد ضریب عملکرد سیکل حاوی بوتان از ۰۹/۰ و ۳۴/۰ تغییر کرده است.

آمونیاک برای سال‌های در سیکل­های تبرید مورداستفاده قرارگرفته است. هم‌اکنون نیز از آمونیاک به دلیل سازگاری با محیط‌زیست در برخی پروژه‌ها استفاده می‌شود. استفاده از آمونیاک به‌عنوان مبرد باعث افزایش کارایی سیکل می‌شود ولی این گاز به‌شدت سمی است هرچند به دلیل بوی خاصی که دارد در زمان نشتی به‌راحتی قابل‌شناسایی است. از عیوب دیگر آمونیا می‌توان به دمای بالای این مبرد در زمان تبدیل به بخار مافوق گرم اشاره کرد. این عیب با توجه به شیب منفی خط بخار اشباع می‌تواند عملیات تراکم در اجکتور را با مشکل مواجه کند.

از متانول نیز در برخی تحقیقات استفاده‌شده است. دمای اواپراتور نسبت به سایر مبردها در مقایسه با اتانول بالاتر است (حدود ۱۱ درجه سانتی‌گراد) که باعث کاهش کارایی سیکل می‌شود.

 از آب نیز به‌عنوان مبرد در مواردی که نیاز به تأمین سرمایش با تناژ بالا (۲۰ تا ۱۲۰۰ تن) داریم استفاده می‌شود.

 از نکات مثبت استفاده از آب می‌توان به دمای پایین اواپراتور اشاره کرد (۱/۶ درجه سانتی‌گراد). از مهم‌ترین عیوب استفاده از آب به‌عنوان مبرد می‌توان به حجم مخصوص بالای آن در حالت بخار اشاره کرد که سبب افزایش جریان جرمی و درنتیجه افزایش زیاد ابعاد اجکتور خواهد شد. برای مثال برای تأمین ۱۵۵ تن سرمایش با درجه حرارت ۸ درجه سانتی‌گراد برای اواپراتور،۶۶۵ مترمکعب بر ساعت جریان جرمی موردنیاز است درحالی‌که برای همین میزان تولید برودت تنها نیاز به ۷ مترمکعب بر ساعت R12 است. از عیوب دیگر آن نقطه انجماد آب است (۰ درجه سانتی‌گراد) که خود محدودیت­هایی به وجود می‌آورد. تفاوت بین میزان لازم جریان جرمی لازم بین آب و سایر مبردها را نشان می‌دهد.

 درواقع هالوکربنها هستند که بیشترین استفاده را در سیکلهای سرمایش خورشیدی دارند. هالوکربنها از قبیل، R113، R114، R152a، R134a، R141b و R142b و. به دلیل وزن مولکولی بالا و تراکم پذیری مناسب، رفتاری شبیه به گاز کامل را دارند و سبب بهبود عملکرد اجکتور می‌گردند.

 در انتها به خواص ترمودینامیکی مهمی که در انتخاب یک سیال عامل باید در نظر گرفته شود اشاره می‌گردد.

۱-       لزجت سیال مبرد ۲- دمای بحرانی ۳- فشار بحرانی

 لزجت سیال باید کم باشد تا باعث افت اصطکاک داخل لوله گردد. با تولید دمای پایین (توسط کلکتورها) کار پمپ کاهش پیدا میکند زمانی که فشار تولیدشده کمتر از فشار بحرانی است. در این پایان‌نامه شرایط عملیاتی فوق بحذانی در نظر گرفته نمی‌شود.

۳-  فصل سوم

روابط حاکم و روش حل

۳-۱-    مقدمه

یک‌بار دیگر با توجه به اهمیت موضوع به بررسی مهم‌ترین نکات حل می‌پردازیم، سیستم موردبررسی اجکتور یک سیکل سرمایش تبرید هست که به دنبال مدل‌سازی و پس از حل، بهینه‌سازی آن هستیم. برای مدل‌سازی فرضیات و داده‌های اولیه‌ای در دست هست که به‌عنوان شرایط اولیه در زیر موردبررسی قرار می‌گیرد. پس‌ازآن فرمولاسیون مسئله در نگاهی اجمالی موردبررسی و بسط قرارگرفته است. برای حل معادلات فرضیاتی منطبق یا نزدیک به واقعیت اعمال‌شده و پس‌ازآن محاسبات عددی اولیه برای کد مسئله لیست شده است.

نکته حائز اهمیت کار در ادامه اعتبارسنجی عملیات انجام‌شده هست. با توجه به اینکه کد نویسی کار حاضر در نرم‌افزار  EES,MATLAB انجام‌شده و خروجی­های آن در تک پلات و اکسل استخراج‌شده است مهم‌ترین نکات این مدل‌سازی‌ها و روند کار شرح بیشتری داده‌شده است.

در فصول اولیه به این مهم اذعان شد که در این مطالعه، با مدل‌سازی عددی، اجکتور تحلیل عددی ‌شده و کمیت‌هایی از قبیل فشار، دمای خروجی و نسبت دبی جریان ثانویه به جریان اولیه، از طریق این مدل‌سازی تعیین و در تحلیل سیکل از آن‌ها استفاده‌شده است. برای ساده کردن حل معادلات در اجکتور، یک مدل تقارن محوری با فرضیات که بحث خواهد شد در نظر گرفته می‌شود.

۳-۲-    معرفی نرم‌افزار

EES مخفف Engineering Equation Solver است. ساده‌ترین قابلیت EES حل دستگاه معادلات جبری (شامل معادلات غیرخطی) است. همچنین EES می‌تواند معادلات دیفرانسیل و معادلات مختلط را حل کند، محاسبات بهینه‌سازی، رگرسیون خطی و غیرخطی، رسم نمودار با دقت بالا و تحلیل عدم اطمینان را انجام دهد و حتی پویانمایی‌های مهندسی بر پایه محاسبات بسازد.

برنامه EES با برنامه‌های محاسباتی دیگر دو تفاوت عمده دارد. اول اینکه EES با دسته‌بندی معادلات باعث ساده‌تر شدن کار برای کاربر می‌گردد و همچنین حل معادلات را در بهترین حالت تضمین می‌کند. دوم اینکه EES دارای توابع ریاضی و ترمودینامیکی و مکانیکی مفید زیادی است که می‌تواند محاسبات مهندسی را بسیار آسان کند. خواص ترمودینامیکی مواد زیادی به‌صورت داخلی در این برنامه وجود دارد؛ برای مثال همه خواص ترمودینامیکی جدول بخار و مایعات مبرد مختلف و بسیاری از مواد دیگر در EES قابل‌استفاده است. برنامه EES خواص هوا و توابع سایکرومتریک و داده‌های جدول JANAF برای بسیاری از گازها و همچنین جامدات را دارا هست و انجام محاسبات سایکرومتریک و رسم نمودارهای آن‌ها را بسیار ساده کرده است.

که در خفگی دوگانه برقرار است، نسبت جرمی ثابت می ماند(ناحیه ظرفیت ثابت) وبا افزایش بیشتر فشار خروجی، وارد ناحیه خفگی منفرد شده و فقط در نازل اولیه، خفگی روی می دهد. در این شرایط ، نسبت جرمی به‌صورت خطی کاهش یافته و درنهایت جریان به سمت اواپراتور برگشت می نماید و عملکرد اجکتور با شکست روبرو خواهد شد. در طراحی اجکتور سعی بر این است که فشار پشت ماکزیمم یا همان  از اجکتور حاصل شود.

۳-۲-۳- ضریب عملکرد سیستم سرمایش تبخیری

در شکل ۳-۴، شماتیکی از سیستم سرمایش تبخیری ملاحظه می‌شود که شامل بویلر، اواپراتور، کندانسور که در اینجا به‌عنوان مجموعه اجکتور شناخته می شوند و پمپ راه انداز جریان می باشد.

ضریب عملکرد سیکل تبرید به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

با توجه به شکل۴-۳ و فرضیاتی از قبیل:

·        انتقال حرارت اواپراتور در فشار ثابت صورت گیرد و سیال در حالت بخار اشباع از اواپراتور خارج و به اجکتور وارد شود.

·        انتقال حرارت در بویلر در فشار ثابت صورت گیرد و سیال در حالت مایع اشباع به آن وارد و در حالت بخار اشباع از آن خارج شود.

·        در شیر انبساط فرآیند آنتالپی ثابت(اختناق) روی دهد.

می توان معادلات اجزاء سیکل تبرید را به‌صورت زیر در نظر گرفت:

درنهایت با استفاده از روابط فوق و همچنین رابطه(۴-۳)، ضریب عملکرد سیکل به‌صورت زیر ساده می‌شود:

در روش تحلیلی فوق سعی شد، با توجه به داده‌هایی از قبیل دما و فشار سیال اولیه و ثانویه و همچنین نسبت جرمی جریان، طی یک حل تکراری، مقدار فشارp4 یا همان فشار بحرانی کندانسور را به منظور بیشینه ماندن ضریب عملکرد سیکل حاصل شد.

۳-۳- جریان دو فاز داخل اجکتور

۱-۳-۳- مقدمه

فرآیند چگالش به‌صورت قطره ای و رشد قطره در انبساط های مافوق صوت، در تعدادی از فرآیندهای طبیعی و تخصصی از قبیل تشکیل مایع معلق در هوا به‌صورت ایرسول، جریان های مرطوب در توربین های بخار، پرواز هواپیما در شرایط مرطوب، فرآیند احتراق با اسپری قطرات یا تجهیزات جدایش فاز، رخ می دهد. تخمین جریان تک فاز در انبساط های سریع بخار، کافی نیست زیرا حرارت آزاد شده توسط چگالش، روی ساختار جریان تأثیر می گذارد مخصوصاً برای جریان گذر از صوت که موجب کاهش کار خروجی و نیز به ارتعاش در آمدن نازل یا توربین می‌شود.

بنابراین درک چگالش در جریان های مافوق صوت برای پیش‌بینی و امکان کنترل آن، هنگامی‌که تغییر فاز، تحت فوق اشباع بالایی در انبساط های سریع رخ می دهد با اهمیت است.

در روابط فوق و بیشتر کارهایی انجام‌شده روی اجکتور سیستم‌های سرمایش، فرض گاز ایده آل برای بخار در نظر گرفته می‌شود. اما با توجه به انبساط سریع بخار داخل نازل همگرا- واگرای اجکتور و حضور چگالش در آن، برای ایجاد درک درستی از جریان و پدیده های حاصله، با استفاده از خواص واقعی بخار به بررسی جریان بخار داخل نازل همگرا-واگرای اجکتور پرداخته خواهد شد.

۲-۳-۳- جریان چگالشی

اغلب، فرآیند انبساط و پدیده چگالش در توربین های کم فشار بخار نیز، در یک نازل لاوال تحت شرایط گذر صوتی، شبیه سازی می‌شود. در شکل۳-۵ انبساط بخار از شرایط فوق گرم به شرایط مربوط داخل چنین شیپوره ای نشان داده‌شده است.

با توجه به توزیع محوری فشار شکل۳-۵ و مسیر تغییر حالت در دیاگرام مولیر شکل۳-۶، بخارسوپرهیت از نقطه(۱) تا رسیدن به شرایط صوتی در گلوگاه(۲) منبسط شده است. در نقطه(۳) خط اشباع قطع شده و قطره های بسیار ظریف مایع شروع به شکل گرفتن نموده اند. اما نرخ جوانه زایی (تعداد قطرات جدید در حجم و زمان واحد) آن قدر کم بوده که جریان همانند بخار خشک به انبساط ادامه داده است.

به عبارت دیگر می توان گفت نرخ انبساط سریع تر از آن است که بخار در شرایط تعادلی باقی بماند و به سبب سرعت بالای جریان، بخار بدون تغییر فاز تا زیر خط اشباع سرد می‌شود. ضمن انبساط آیزنتروپیک، دمای بخار سریع تر از دمای اشباع متناظر با فشارش کاسته شده و از این رو، حالتی ناپایدار مرسوم به فوق اشباع یا فوق سردی بر بخار حاکم گردیده است. پس‌ازآن بسته به شرایط محلی و شدت انبساط، نرخ جوانه زایی به طور چشمگیری افزایش‌یافته و به حداکثر مقدار ممکن در نقطه(۴) که آستانه شکسته شدن درجه فوق سردی می باشد، رسیده است. نقطه یاد شده که بر حداکثر فوق سردی دلالت دارد و بخار مافوق سرد دیگر نمی تواند به‌صورت تک فاز ادامه پیدا کند، به نقطه ویلسون معروف می باشد. قطره های بسیار ظریف در حد فاصل نقاط(۴) و(۵) و ضمن انتقال حرارت و جرم با بخار محیط سریعاً رشد می نمایند. رها شدن گرمای نهان و انتقال آن به بخار مافوق صوت، باعث پدیده ای غیرخطی به نام ضربه یا شوک چگالش می گردد که بین نقاط(۴و۵) افزایش فشار ناشی از آن مشاهده می‌شود. فرآیند یاد شده که در غیاب سطوح صلب و ذرات خارجی به وقع می پیوندد، جوانه زایی همگن و چگالش خودبخودی نامیده می‌شود. این مکانیزم بر جوانه زایی غیر همگن یعنی همان جوانه زایی روی دیواره های جامد (یاذرات پراکنده) غالب است؛ از همین روی انتقال حرارتی که به واسطه چگالش، در دیواره اجکتور روی می دهد بسیار پایین است.از آن پس انبساط نزدیک به شرایط تعادلی ادامه یافته است. در این مرحله تعداد قطرات ثابت مانده و در رطوبت با رشد قطرات افزایش می یابد.

۳-۳-۳- آثار نامطلوب پدیده چگالش در جریان بخار

۱-۳-۳-۳- تشکیل یخ

حضور مایع در بخار فوق سرد، به‌صورت ذرات مه ریز  و پراکنده می‌باشند. همچنین فاز مایع معمولاً با کمی تأخیر ظاهر می‌شود مخصوصاً برای نازل‌های کوتاه که این زمان تأخیر کوتاه تر می‌شود و شوک چگالش زودتر رخ می دهد.

هنگامی‌که فشار مکش، پایین تر از نقطه سه گانه آب ،kPa  61/0 P=، می‌آید فاز مایع حاصل از چگالش هم منجمد می‌شود و تشکیل کریستال های یخ مورد اهمیت قرار می گیرد. باور این مطلب شاید سخت باشد اما شکل۳-۷، تشکیل یخ در یک مرحله از اجکتور را نشان می دهد. در فاصله ای کوتاه و در طول کسری  از ثانیه، بخار از 。C 150، تا پایین تر از دمای یخ، سرد می‌شود.

در حالیکه به نظر می رسد ذرات ریز آب در خروج از نازل با تبخیر شدن به گاز می پیوندند،

کریستال های یخ به نظر می رسد که از گاز سوپرهیت، حرارت می گیرند. بنابراین در حالتی که فشار خروجی نازل ، کمتر از kPa 61/0 باشد ممکن است مخلوطی سرعت بالا از کریستال های یخ و گاز سوپرهیت به وجود آید که موجب خوردگی و سایش آنچه که در سر راه جریان می‌آید گردد. به همین منظور عموماً برای جلوگیری از تشکیل یخ، از یک پوشش بخار استفاده می کنند.

۲-۳-۳-۳- تلفات ناشی از چگالش

جدا از منجمد شدن قطرات ریز آب می توان گفت که وجود فاز مایع در نازل‌های همگرا- واگرای مزبور و همچنین پره هلی توربین، موجب افت های ترمودینامیکی، آیرودینامیکی و مکانیکی می‌شود. به واسطه تشکیل رطوبت، قطرات با سرعت زیاد به دیواره های نازل برخورد می کنند که موجب خوردگی می شوند؛ اما، این تنها یکی از اثرات تشکیل فاز مایع در بخار است. انحراف محلی از شرایط تعادل ترمودینامیکی از مهمترین ویژگی های یک جریان توأم با جوانه زایی است که با آزاد شدن گرمای نهان تقطیر همراه می باشد. افزایش حرارت ناشی از آن، موجب یک فرآیند برگشت ناپذیر می‌شود و اثرات مهمی به دنبال دارد که خفگی و تغییر الگوی جریان حول پره های توربین از آن جلمه اند.

۴-۳-۳- معادلات حاکم بر جریان چگالشی

با استفاده از روابط ترمودینامیکی و نتایج آزمایشگاهی قبل، معادلاتی برای جریان چگالشی بخار در نظر گرفته شده اند که به‌صورت زیر ارائه می شوند.

۱-۴-۳-۳- جوانه زایی همگن و تشکیل قطرات مایع

با انبساط بخار و گذشتن از گلوگاه نازل، به سبب افزایش درجه فوق سردی، برخورد تصادفی مولکول های بخار مبنای تشکیل خوشه های مولکولی(کلاسترها)در جریان بخار می شوند. تشکیل قطرات بحرانی در بخار خالص با تئوری جوانه زایی همگن بیان می‌شود که از جنبه های ترمودینامیکی و سینماتیکی برای بررسی این پدیده استفاده می‌شود و مدل‌های گوناگونی در این زمینه ارائه‌شده است.

تغییر انرژی آزاد گیبز برای جرم mr از یک بخار مافوق سرد در دما و فشار ثابت، که می تواند یک قطره مایع با چگالی

 و ضریب کشش سطحی  را تشکیل دهد، در غیاب میدان های الکتریکی و مغناطیسی به‌صورت مجموع ترم های انبساط هم دما و تشکیل  قطره از توده بخار ، محاسبه می‌شود:

بر اساس تعادل ترمودینامیکی، یک شعاع مینیمم  (شعاع بحرانی) وجود دارد که باید به منظور تشکیل یک هسته پایدار از بخار مافوق اشباع، به دست آید.

برای این شرایط، انرژی آزاد گیبز تشکیل یک کلاستر بحرانی می دهد که با  نماد گذاری شده است. طبق آنچه در مرجع[۲۳] آورده شده، یا مشتق گیری از معادله (۳-۲۶) نسبت به r، شعاع بحرانی  و به‌صورت زیر به دست می‌آید:

رابطه فوق به معادله کلوین همهولتز معروف است که برای هر نسبت فوق اشباع، اندازه قطره ای که در تعادل شبه پایدار است را مشخص می‌کند.

در شکل ۳-۸ تغییرات انرژی آزاد گیبز هنگام تشکیل یک قطره کروی برحسب شعاع آن و به ازای مقادیر مختلف نسبت فوق اشباع مشاهده می‌شود.

قله منحی برحسب شعاع به‌عنوان مانعی که تغییر فاز را مقید می سازد، شناخته شده است.

تئوری و مشاهدات هر دو بیانگر آنند که افزایش نسبت فوق اشباع موجب افزایش نرخ بمبارات مولکولی، کاهش و متعاقباً کوتاه شدن قله  به اندازه ای می‌شود که در این شرایط، جوانه زایی همگن فرآیندی محرز شده و تبدیل فاز به وقوع می پیوندد.

در بخار فوق سرد که از تعادل ترمودینامیکی خارج شده است، نسبت فوق اشباع باید بزرگ تر از یک باشد؛ در این حالت اگر شعاع قطراتی که به‌صورت تصادفی و از برخورد مولکول ها تشکیل شده اند، از شعاع بحرانی، متناظر با قله منحنی‌های شکل فوق، کوچک‌تر باشد با  از دست دادن مولکول ها  و کاهش انرژی آزاد گیبزشان، تبخیر می شوند. قطرات بزرگ تر از شعاع بحرانی ، شروع به رشد می کنند و بدین طریق سیستم با کاهش انرژی گیبز به سوی شرایط تعادل میل می نماید.

در پروژه حاضر، نرخ جوانه زایی بر اساس تئوری جوانه زایی همگن کلاسیک توصیف شده است و بیانگر تعداد قطرات تشکیل شده  با شعاع بحرانی در واحد حجم بخار فوق سرد می باشد. رابطه مذکور طبق مرجع[۲۷] به‌صورت زیر ارائه می‌شود:

تصحیحات مختلفی بر معادله جوانه زایی کلاسیک اعمال شد که از آن جمله می توان به تصحیحات کورتنی و کانترویتز[۲۳] اشاره کرد که برای اثرات غیر هم دما مورد استفاده قرار می گیرند:

ضریب تصحیح غیر هم دمای q به‌صورت زیر می باشد:

درنهایت می توان خاطر نشان کرد که شکل گیری قطرات، توسط جوانه زایی ناگهانی و در مرکز جریان صورت می گیرد. با این حال ، برهم کنش بین جوانه زایی و لایه مرزی خیلی روشن نیست.

فهرست مراجع و منابع

[۱] W. Pridasawas, P. Lundqvist, A year-round dynamic simulation of a solardriven ejector refrigeration system with iso-butane as a refrigerant, Int. J.Refrig. 30 (2007) 840e850.

[۲] V.M. Nguyen, S.B. Riffat, P.S. Doherty, Development of a solar-powered passiveejector cooling system, Appl. Therm. Eng. 21 (2001)157e168.

[۳] S.A. Sherif, D.Y. Goswami, G.D. Mathur, S.V. Iyer, B.S. Davanagere, S. Natarajan,F. Colacino, A feasibility study of steam-jet refrigeration, Int. J. Energy Res. 22 (1998) 1323e1336.

[۴] M. Dennis, K. Garzoli, Use of variable geometry ejector with cold store to achieve high solar fraction for solar cooling, Int. J. Refrig. 34 (2011) 1626e 1632.

[۵] Y.H. Zhu, W.J. Cai, C.Y. Wen, Y.Z. Li, Shock circle model for ejector performance evaluation, Energy Convers. Manag. 48 (2007) 2533e2541.

[۶] J.H. Keenan, E.P. Neumann, F. Lustwerk, An investigation of ejector design by analysis and experiment, J. Appl. Mech. Trans. ASME 72 (1950) 299e309.

[۷] J.T. Munday, D.F. Bagster, A new ejector theory applied to steam jet refrigeration, Ind. Eng. Chem. Proc. Des. 16 (1977) 442e449.

[۸] B.J. Huang, J.M. Chang, C.P. Wang, V.A. Petrenko, A 1-D analysis of ejector performance, Int. J. Refrig. 22 (1999) 354e364.

[۹] J.L. Yu, Y.F. Ren, H. Chen, Y.Z. Li, Applying mechanical subcooling to ejector refrigeration cycle for improving the coefficient of performance, Energy Convers. Manag. 48 (2007) 1193e1199.

[۱۰] H. El-Dessouky, H. Ettouney, I. Alatiqi, G. Al-Nuwaibit, Evaluation of steam jet ejectors, Chem. Eng. Process. 41 (2002) 551e561.

[۱۱] A. Selvaraju, A. Mani, Experimental investigation on R134a vapour ejector refrigeration system, Int. J. Refrig. 29 (2006) 1160e1166.

[۱۲] B.J. Huang, J.M. Chang, Empirical correlation for ejector, Int. J. Refrig. 22 (1999)

۳۷۹e388.

[۱۳] Y.M. Chen, C.Y. Sun, Experimental study of the performance characteristics of a steam-ejector refrigeration system, Exp. Therm. Fluid Sci. 15 (1997) 384e 394.

[۱۴] I.W. Eames, A new prescription for the design of supersonic jet-pumps: the constant rate of momentum change method, Appl. Therm. Eng. 22 (2002) 121e131.

[۱۵] Y. Bartosiewicz, Z. Aidoun, P. Desevaux, Y. Mercadier, CFD-experiments integration in the evaluation of six turbulence models for supersonic ejector modeling, in: Integrating CFD and Experiments Conference, Glasgow, UK, 2003.

[۱۶] K. Chunnanond, S. Aphornratana, An experimental investigation of a steam ejector refrigerator: the analysis of the pressure profile along the ejector, Appl. Therm. Eng. 24 (2004) 311e322.

[۱۷] W. Pridasawas, Solar-driven Refrigeration Systems with Focus on the Ejector Cycle (Doctoral Thesis), Royal Institute of Technology, KTH, Sweden, 2006.

[۱۸] D.W. Sun, I.W. Eames, Performance characteristics of HCFC-123 ejector refrigeration cycles, Int. J. Energy Res. 20 (1996) 871e885.

[۱۹] E.W. Lemmon, M.O. McLinden, M.L. Huber, Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties, Nist Standard Reference Database 23, Version 7.0, Physical and Chemical Properties Division, NIST, USA, 2002.

[۲۰] R. Yapici, H.K. Ersoy, A. Aktoprakoglu, H.S. Halkaci, O. Yigit, Experimental determination of the optimum performance of ejector refrigeration system depending on ejector area ratio, Int. J. Refrig. 31 (2008) 1183e1189.

[۲۱] F. Liu, E.A. Groll, Study of ejector efficiencies in refrigeration cycles, Appl. Therm. Eng. 52 (2013) 360e370.

[۲۲] S. Varga, A.C. Oliveira, B. Diaconu, Numerical assessment of steam ejector efficiencies using CFD, Int. J. Refrig. 32 (2009) 1203e1211.

[۲۳] D.W. Sun, Variable geometry ejectors and their applications in ejector refrigeration systems, Energy 21 (1996) 919e929.

[۲۴] B.J. Huang, C.B. Jiang, F.L. Hu, Ejector performance characteristics and design analysis of jet refrigeration system, J. Eng. Gas Turb. Power, ASME 107 (1985) 792e802.

Keenan, J. H., Neumann, E. P., “A Simple Air Ejector“, Journal Applied Mechanics -TASME, Vol. 64, 1942.

[۲۵] Rusly, E., aye, L., Charters, W.W.S, Ooi, A., “CFD Analysis of Ejector in a Combined Ejector Cooling System“, International of Refrigeration, Vol. 28, 2005.

[۲۶] Hemidi, A., Henry, F., leclaire, S., Seynhaeve, J.M., Bartosiewicz, Y., “CFD Analysis of a Supersonic Air Ejector, Experimental Validation of Single-Phase and Two-Phase Operation“, Applied Thermal Engineering, Vol. 29, 2009.

[۲۷] Pianthong, K., Seehanam, W., Behnia, M., Sriveerakul, T., Aphornratana, S., “Investigation and Improvment of Ejector Refrigeration System Using Computational Fluid Dynamics Technique“, Energy Conversion and Management, Vol. 48, No. 9, 2007.

[۲۸] Zhu, Y., Cai, W., Wen, Ch., Li, Y., “Numerical Investigation of Geometry Parameters for Design of High Performance Ejectors“, Applied Thermal Engineering,Vol.29, No. 5, 2008.

[۲۹] Keenan, H., Neumann, EP., and Lustwerk, F., “An Investigation of Ejector Designs by Analysis and Experiment“. Massachusetts Institute of Technology,Guided Missiles Program, 1948.Downloaded from energy.kashanu.ac.ir at 3:26 +0330 on Sunday October 28th 2018

 [30] Rogdakis, ED., Alexis, A., “Design and Parametric Investigation of an Ejector in an Airconditioning System“,Applied Thermal Engineering, Vol. 20. No. 2, 2000.

[۳۱] Kairouani, L., Elakhdar, M., Nehdi, E., and Bouaziz, N., “Use of Ejectors in a Multievaporator Refrigeration System for Performance Enhancement“, International Journal of Refrigeration, Vol. 32, No. 6, 2009.

[۳۲] Selvaraju, A., Mani, A., “Experimental Investigation on R134a Vapour Ejector Refrigeration System“,International Journal of Refrigeration, Vol. 29, 2006.

[۳۳] Khalidy, N. AL, Zayonia, A., “Design and Experimental Investigation of an Ejector in an Air-Conditioning and Refrigeration System“. ASHRAE Trans 383-91.

[۳۴] Hjang, B. J., Petrenko, V. A., Samofatov, I. Y., Shchetinina, N. A., “Colector Selection for Solar Ejector Cooling System“, Solar Energy, Vol. 71, No. 4, 2001.

[۳۵] Sun, D.W., Eames I.W., “Recent Developments in the Design Theories and Applications of Ejector- A Review“,Fuel and Energy Abstracts, Vol. 36, No. 5, 1995.

[۳۶] Huang, B. J., Chang, J. M., Petrenko, V. A., and Zhuk, K. B., “A Solar Ejector Cooling System Using Refrigerant R141b“, Solar Energy, Vol. 64, 1998.

[۳۷] Gosney, W. B., Principle of Refrigeration, Cambridge University Press, Cambridge, 1982.

[۳۸] Chen, J., Havtun, H., Palm, B. “Investigation of Ejectors in Refrigeration System: Optimum Performance Evaluation and Ejector Area Ratios Perspectives“,

Applied Thermal Engineering Vol. 64, 2014.

[۳۹] Yu, J., Song, X., Ma, M., “Theoretical Study on a Novel R32 Refrigeration Cycle with a Two-Stage Suction Ejector“, International Journal of Refrigeration, Vol. 36,2013.

[۴۰] Scott, D., Aidoun, Z., Bellache, O., Ouzzane, M., “CFD Simulations of a Supersonic Ejector for Use in Refrigeration Application“, International Refrigerationand Air Conditioning Conference, 2008.

[۴۱] Castro, T.P., Lima, R.C., Ribeiro, L.N., Zaparoli, E.L., Anddrade, C.R., “A CFD Analysis of Gas-Flow in a Supersonic Ejector“, VI Congress of Mechanical Engineering, Brazil, August, 2010.

[۴۲] Gagan, J., Smierciew, K., Butrymowicz, D., Karwacki, J., “Comparative Study of TurbulenceModels in Application to Gas Ejectors“, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 78, 2014.

Abstract

Energy is an important factor in creating capital and economic progress. Given the ever-increasing costs of energy and energy carriers, older systems of ventilation, cooling systems have attracted considerable attention and have been introduced as an alternative to cooling residential and commercial space. One of these systems is the cooling system of the cyclic cycle. Which is a good choice for producing refrigerated air conditioners. Because at low temperatures (between 70 ° C and 90 ° C) it will be launched, and with the use of a reactor instead of a compressor, which will be energized, the cooling system will be much less energy compared to the old air coolers that work with the compressor They would eat. Additionally, the Euceric cycle is simple, reliable, environmentally friendly and environmentally friendly. Simulations of EES tools were used to illustrate the results. As the generator temperature and evaporator temperature increase, the mounting ratio increases, while the increase in condensing temperature leads to a gradual reduction in mounting ratios instead of drops. The ratio of the ejector environment must be adjusted to maintain the desired performance of the ejector cooling system under different operating conditions. The mounting ratio, ambient ratio and compression ratio have the most sensitivity to the change in condensation conditions. Ejector efficiencies are important parameters in the current model and can be significantly modified by mounting ratios. Nozzles and couplings affect the environment ratio more than the publisher’s return. However, compression has the highest sensitivity to changes in the publisher’s returns. It is important to study these returns. Variable geometric shapes have important roles in achieving desirable performance and expanding working conditions.


[۱] Mixing in constsnt pressure teorey












 

برچسبها
مطالب مرتبط

دیدگاهی بنویسید.

بهتر است دیدگاه شما در ارتباط با همین مطلب باشد.

0