سیکل تبرید تراکمی بخار در کولر گازی اسپلیت؛ تحلیل مهندسی چهار جزء اصلی

مقدمه

سیکل تبرید تراکمی بخار پایه ترمودینامیکی تقریباً تمام دستگاه‌های سرمایشی خانگی و تجاری سبک است و عملکرد هر کولر گازی اسپلیت بر همین سیکل استوار می‌شود [1][2]. در این سیکل، یک سیال کاری به نام مبرد به‌صورت پیوسته بین دو سطح فشار گردش می‌کند و با تغییر فاز خود، گرما را از فضای داخلی جذب و به هوای بیرون دفع می‌کند [1][3]. آنچه در عمل به‌عنوان خنک شدن اتاق مشاهده می‌شود، نتیجه انتقال حرارت کنترل‌شده‌ای است که قانون دوم ترمودینامیک آن را تنها با صرف کار مکانیکی ممکن می‌داند [4]. بازبینی حاضر اجزای چهارگانه سیکل، فرایندهای ترمودینامیکی متناظر با آن‌ها و نحوه خواندن نمودار فشار-آنتالپی را از دید مهندسی بررسی می‌کند و نشان می‌دهد که این مفاهیم چگونه در طراحی و انتخاب اسپلیت تراست معنا پیدا می‌کنند.

فهرست مطالب

• اصول ترمودینامیکی سیکل تراکمی بخار
• اواپراتور و فرایند تبخیر مبرد
• کمپرسور و فرایند تراکم
• کندانسور و دفع حرارت به محیط
• وسیله انبساط و کنترل جریان مبرد
• تحلیل سیکل روی نمودار فشار-آنتالپی
• مافوق گرم و مادون سرد در عملکرد واقعی
• پیکربندی اسپلیت و توزیع اجزا بین یونیت داخلی و خارجی
• نقش کمپرسور اینورتر در بهبود بازده سیکل
• عوامل کاهنده بازده در بهره برداری
• جمع بندی مهندسی
• منابع

اصول ترمودینامیکی سیکل تراکمی بخار

سیکل تراکمی بخار یک سیکل بسته است که مبرد در آن پس از عبور از چهار فرایند متوالی به حالت اولیه بازمی‌گردد [1][4]. دو فرایند از این چهار فرایند در مبدل‌های حرارتی و در فشار تقریباً ثابت رخ می‌دهند و دو فرایند دیگر تغییر فشار مبرد را بر عهده دارند [4]. سیکل ایده‌آل شامل تراکم آیزنتروپیک در کمپرسور، دفع حرارت در فشار ثابت در کندانسور، انبساط آنتالپی‌ثابت در وسیله انبساط و جذب حرارت در فشار ثابت در اواپراتور است [1][4]. در سیکل واقعی، افت فشار در لوله‌ها، بازگشت‌ناپذیری تراکم و اتلاف حرارتی باعث انحراف از حالت ایده‌آل می‌شوند و همین انحراف‌ها فاصله میان بازده نامی و بازده میدانی را توضیح می‌دهند [2][4].

ضریب عملکرد سیکل از نسبت ظرفیت سرمایشی به توان مکانیکی ورودی کمپرسور به دست می‌آید و معیار اصلی سنجش کیفیت ترمودینامیکی سیستم است [1][4]. اختلاف دمای میان منبع سرد و منبع گرم عامل تعیین‌کننده در این نسبت به شمار می‌رود، به‌گونه‌ای که افزایش دمای هوای بیرون بدون تغییر در دمای داخل، ضریب عملکرد را کاهش می‌دهد [4][5]. به همین دلیل کارایی یک کولر گازی همواره باید در شرایط آزمون استاندارد و مشخص گزارش شود [5][6].

اواپراتور و فرایند تبخیر مبرد

اواپراتور مبدل حرارتی سمت فضای مطبوع است و وظیفه آن جذب گرما از هوای اتاق است [2][3]. مبرد در ورودی اواپراتور به‌صورت مخلوط دوفازی با کیفیت پایین وارد می‌شود و در طول کویل با جذب گرمای نهان تبخیر، به بخار اشباع و سپس بخار مافوق گرم تبدیل می‌شود [1][3]. دمای اشباع مبرد در این بخش پایین‌تر از دمای هوای عبوری نگه داشته می‌شود تا نیروی محرکه انتقال حرارت برقرار بماند [2]. فن دمنده یونیت داخلی هوای اتاق را روی سطوح پره‌دار کویل می‌گذراند و ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی را افزایش می‌دهد [2].

بخش عمده ظرفیت سرمایشی یک کولر گازی اسپلیت در همین جزء تولید می‌شود و هر عاملی که جریان هوا یا تمیزی سطح کویل را مختل کند، مستقیماً ظرفیت را کاهش می‌دهد [2][7]. اگر دمای سطح کویل به زیر نقطه شبنم هوای اتاق برسد، بخشی از بخار آب موجود در هوا روی پره‌ها متراکم می‌شود و سرمایش نهان نیز اتفاق می‌افتد [3][8]. این پدیده در اقلیم‌های مرطوب اهمیت زیادی دارد و طراحی مسیر تخلیه کندانس را به یک الزام اجرایی تبدیل می‌کند [8].

کمپرسور و فرایند تراکم

کمپرسور قلب مکانیکی سیکل است و تنها جزئی به شمار می‌رود که کار خالص به سیستم وارد می‌کند [1][4]. این جزء بخار مافوق گرم کم‌فشار خروجی از اواپراتور را مکش می‌کند و آن را تا فشاری می‌رساند که دمای اشباع متناظر با آن بالاتر از دمای هوای بیرون باشد [1][2]. بدون این افزایش فشار، دفع حرارت به محیط گرم بیرونی امکان‌پذیر نیست و سیکل ادامه نمی‌یابد [4].

سه گونه رایج کمپرسور در تجهیزات تهویه مطبوع سبک شامل پیستونی، روتاری و اسکرول است و هر یک بازده حجمی و رفتار صوتی متفاوتی دارند [2]. کمپرسورهای روتاری در ظرفیت‌های خانگی به دلیل تعداد کمتر قطعات متحرک و ارتعاش پایین‌تر رایج هستند، در حالی که کمپرسورهای اسکرول در ظرفیت‌های بالاتر بازده بهتری ارائه می‌کنند [2]. بازده آیزنتروپیک کمپرسور نشان می‌دهد چه سهمی از کار ورودی به افزایش مفید فشار تبدیل می‌شود و باقی‌مانده آن به‌صورت گرمای اضافی در بخار خروجی ظاهر می‌شود [4].

کندانسور و دفع حرارت به محیط

کندانسور مبدل حرارتی سمت بیرون است و مجموع گرمای جذب‌شده در اواپراتور به‌علاوه کار کمپرسور را به هوای محیط منتقل می‌کند [1][2]. فرایند دفع حرارت در سه مرحله انجام می‌شود که شامل خنک شدن بخار مافوق گرم، تقطیر در دمای اشباع و مادون سرد شدن مایع است [1][3]. بخش میانی این فرایند بیشترین سهم انتقال حرارت را دارد، زیرا گرمای نهان تقطیر بسیار بزرگ‌تر از گرمای محسوس دو مرحله دیگر است [1].

دمای تقطیر رابطه مستقیمی با دمای هوای محیط دارد و در روزهای بسیار گرم بالا می‌رود [2][5]. افزایش دمای تقطیر، فشار دهش و در نتیجه توان مصرفی کمپرسور را افزایش می‌دهد و ظرفیت سرمایشی را کاهش می‌دهد [4][5]. سری‌های تروپیکال در سیستم های تهویه مطبوع تراست دقیقاً برای حفظ پایداری عملکرد در همین شرایط دمای بالا طراحی می‌شوند [5]. نصب یونیت خارجی در محلی با تهویه مناسب و به دور از تابش مستقیم، اثر مشابهی بر کاهش دمای تقطیر دارد [7].

وسیله انبساط و کنترل جریان مبرد

وسیله انبساط مرز میان سمت فشار بالا و سمت فشار پایین سیکل است و دو وظیفه هم‌زمان بر عهده دارد [2][3]. وظیفه نخست کاهش فشار مایع مادون سرد تا فشار تبخیر است و وظیفه دوم تنظیم دبی مبرد متناسب با بار حرارتی اواپراتور است [3]. این فرایند به‌صورت خفگی و با آنتالپی ثابت مدل می‌شود، زیرا کار و انتقال حرارت قابل توجهی در آن رخ نمی‌دهد [1][4].

لوله موئین ساده‌ترین گونه این جزء است و در دستگاه‌های با ظرفیت ثابت کاربرد گسترده دارد [2]. شیر انبساط ترموستاتیک با پایش مافوق گرم خروجی اواپراتور، دبی را به‌صورت خودکار اصلاح می‌کند و پایداری بیشتری فراهم می‌آورد [2][3]. شیر انبساط الکترونیکی که در دستگاه‌های اینورتر رایج است، با فرمان کنترلر و بر پایه داده حسگرها عمل می‌کند و امکان تطبیق دقیق با دور متغیر کمپرسور را می‌دهد [2].

تحلیل سیکل روی نمودار فشار-آنتالپی

نمودار فشار-آنتالپی ابزار استاندارد تحلیل سیکل تبرید است و محور عمودی آن فشار در مقیاس لگاریتمی و محور افقی آن آنتالپی ویژه است [1][4]. منحنی زنگوله‌ای شکل روی این نمودار ناحیه دوفازی را از ناحیه مایع مادون سرد در سمت چپ و ناحیه بخار مافوق گرم در سمت راست جدا می‌کند [1]. سیکل ایده‌آل روی این نمودار به‌صورت یک چهارضلعی بسته ترسیم می‌شود که هر ضلع آن یکی از چهار فرایند اصلی را نشان می‌دهد [4].

ضلع افقی پایینی که در فشار تبخیر قرار دارد، جذب حرارت در اواپراتور را نمایش می‌دهد و طول آن با اثر سرمایشی ویژه متناسب است [1][4]. ضلع مایل سمت راست، تراکم را نشان می‌دهد و طول افقی آن معادل کار ویژه کمپرسور است [4]. ضلع افقی بالایی در فشار تقطیر، دفع حرارت در کندانسور را توصیف می‌کند و ضلع قائم سمت چپ، انبساط با آنتالپی ثابت را نشان می‌دهد [1][4]. نسبت طول ضلع پایینی به طول افقی ضلع تراکم، برآورد مستقیمی از ضریب عملکرد سیکل به دست می‌دهد و به همین دلیل این نمودار برای عیب‌یابی مهندسی بسیار کارآمد است [4][6]. داده‌های ترمودینامیکی مورد نیاز برای رسم دقیق این نمودار از پایگاه‌های مرجع خواص سیالات استخراج می‌شوند [9].

مافوق گرم و مادون سرد در عملکرد واقعی

مافوق گرم اختلاف دمای بخار خروجی از اواپراتور با دمای اشباع متناظر با فشار مکش است و وجود مقدار مشخصی از آن برای حفاظت کمپرسور ضروری است [2][3]. اگر این مقدار بسیار پایین باشد، احتمال ورود مایع به کمپرسور و آسیب مکانیکی افزایش می‌یابد [3]. اگر بسیار بالا باشد، بخشی از سطح اواپراتور به‌جای تبخیر مؤثر صرف گرم کردن بخار می‌شود و ظرفیت افت می‌کند [2][3].

مادون سرد اختلاف دمای مایع خروجی از کندانسور با دمای اشباع متناظر با فشار دهش است و افزایش کنترل‌شده آن، اثر سرمایشی ویژه را بدون افزایش کار کمپرسور بالا می‌برد [1][4]. اندازه‌گیری این دو کمیت در محل نصب، روش استاندارد ارزیابی صحت شارژ مبرد است و از تکیه صرف بر فشار سنجی دقیق‌تر عمل می‌کند [3][7]. تکنسین‌های نمایندگی تراست نیز در سرویس‌های دوره‌ای همین شاخص‌ها را مبنای داوری درباره سلامت سیکل قرار می‌دهند [7].

پیکربندی اسپلیت و توزیع اجزا بین یونیت داخلی و خارجی

در پیکربندی اسپلیت، اجزای سیکل میان دو محفظه جداگانه توزیع می‌شوند تا اجزای پرصدا از فضای مطبوع دور بمانند [2]. یونیت داخلی شامل اواپراتور، فن دمنده، فیلتر هوا و تشتک تخلیه کندانس است و یونیت خارجی کمپرسور، کندانسور، فن محوری و وسیله انبساط را در خود جای می‌دهد [2]. دو خط لوله مسی عایق‌شده این دو بخش را به هم متصل می‌کنند که یکی خط مایع با قطر کوچک‌تر و دیگری خط مکش با قطر بزرگ‌تر است [2][7].

طول و اختلاف ارتفاع میان دو یونیت اثر مستقیمی بر افت فشار و بازگشت روغن به کمپرسور دارد و باید در محدوده مجاز سازنده باقی بماند [2][7]. تخلیه هوا و رطوبت از مدار پیش از شارژ مبرد یک الزام اجرایی است، زیرا حضور گازهای غیرقابل تقطیر فشار دهش را بالا می‌برد و بازده را کاهش می‌دهد [3][7]. رعایت این جزئیات در نصب اسپلیت تراست تفاوت محسوسی میان عملکرد کاتالوگی و عملکرد میدانی ایجاد می‌کند [7].

نقش کمپرسور اینورتر در بهبود بازده سیکل

کمپرسور اینورتر با تغییر فرکانس تغذیه، دور موتور و در نتیجه دبی جرمی مبرد را متناسب با بار لحظه‌ای تنظیم می‌کند [2][6]. در بار جزئی، کاهش دبی جرمی موجب کاهش اختلاف فشار میان دو سطح سیکل می‌شود و ضریب عملکرد نسبت به حالت ظرفیت ثابت افزایش می‌یابد [4][6]. حذف چرخه‌های مکرر روشن و خاموش نیز تلفات راه‌اندازی و نوسان دمای فضا را کاهش می‌دهد [6].

شاخص‌های فصلی بازده که رفتار دستگاه را در دامنه‌ای از دماهای محیط ارزیابی می‌کنند، مزیت این فناوری را بهتر از شاخص‌های تک‌نقطه‌ای نشان می‌دهند [6][10]. روش‌های آزمون و محاسبه این شاخص‌ها در استانداردهای بین‌المللی تعریف شده‌اند تا مقایسه میان مدل‌های مختلف بر پایه یکسانی انجام شود [5][6][10]. انتخاب میان مدل اینورتر و مدل ظرفیت ثابت در سیستم های تهویه مطبوع تراست بر همین مبنای مهندسی و با توجه به الگوی ساعات کارکرد انجام می‌شود [6].

عوامل کاهنده بازده در بهره برداری

آلودگی فیلتر و کویل داخلی جریان هوا را کاهش می‌دهد و دمای تبخیر را پایین می‌آورد که هم ظرفیت و هم ضریب عملکرد را کم می‌کند [2][7]. رسوب و گرد و غبار روی کویل خارجی مقاومت حرارتی را بالا می‌برد و دمای تقطیر و فشار دهش را افزایش می‌دهد [2][7]. شارژ نادرست مبرد چه به‌صورت کمبود و چه به‌صورت اضافه، توزیع فاز در مبدل‌ها را بر هم می‌زند و عملکرد را از نقطه طراحی دور می‌کند [3][7].

انتخاب ظرفیت بزرگ‌تر از بار واقعی نیز یک خطای طراحی شایع است، زیرا دستگاه در چرخه‌های کوتاه کار می‌کند و فرصت کافی برای رطوبت‌زدایی پیدا نمی‌کند [2][8]. رعایت الزامات ایمنی مربوط به مبردها شامل تهویه فضا و محدودیت شارژ نیز بخشی از طراحی مسئولانه سیستم است [3][11]. برنامه سرویس دوره‌ای که در آن فشارها، مافوق گرم، مادون سرد و جریان الکتریکی ثبت می‌شوند، ابزار عملی حفظ بازده در طول عمر دستگاه است [7].

جمع بندی مهندسی

سیکل تبرید تراکمی بخار با چهار جزء اواپراتور، کمپرسور، کندانسور و وسیله انبساط، چارچوبی ساده اما دقیق برای درک عملکرد کولر گازی اسپلیت فراهم می‌کند [1][2]. نمودار فشار-آنتالپی امکان می‌دهد که ظرفیت سرمایشی، کار کمپرسور و ضریب عملکرد به‌صورت کمی و قابل اندازه‌گیری تحلیل شوند [4]. شناخت مفاهیم مافوق گرم و مادون سرد، پل میان تحلیل نظری و عیب‌یابی میدانی است و کیفیت نصب و سرویس را قابل داوری می‌کند [3][7]. در نهایت، انتخاب آگاهانه میان گونه‌های مختلف کولر گازی تراست زمانی معنا پیدا می‌کند که مبنای ترمودینامیکی عملکرد آن‌ها روشن باشد [2][6].

منابع

1. ASHRAE, ASHRAE Handbook — Fundamentals, Chapter on Thermodynamics and Refrigeration Cycles, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
2. ASHRAE, ASHRAE Handbook — HVAC Systems and Equipment, Chapters on Unitary Air Conditioners, Compressors and Air-Cooling and Dehumidifying Coils.
3. ASHRAE, ASHRAE Handbook — Refrigeration, Chapters on Refrigerant Control Devices and System Practices for Halocarbon Refrigerants.
4. M. J. Moran, H. N. Shapiro, D. D. Boettner, M. B. Bailey, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, Refrigeration and Heat Pump Systems.
5. ISO 5151, Non-ducted Air Conditioners and Heat Pumps — Testing and Rating for Performance, International Organization for Standardization.
6. ISO 16358, Air-cooled Air Conditioners and Air-to-Air Heat Pumps — Testing and Calculating Methods for Seasonal Performance Factors, International Organization for Standardization.
7. ASHRAE, ASHRAE Handbook — HVAC Applications, Chapters on Operation and Maintenance Management and Testing, Adjusting and Balancing.
8. W. F. Stoecker, J. W. Jones, Refrigeration and Air Conditioning, Chapters on Air-Conditioning Processes and Cooling Coils.
9. E. W. Lemmon, I. H. Bell, M. L. Huber, M. O. McLinden, NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP), National Institute of Standards and Technology.
10. ANSI/AHRI Standard 210/240, Performance Rating of Unitary Air-Conditioning and Air-Source Heat Pump Equipment, Air-Conditioning, Heating and Refrigeration Institute.
11. ANSI/ASHRAE Standard 15 and Standard 34, Safety Standard for Refrigeration Systems and Designation and Safety Classification of Refrigerants, ASHRAE.