نقش سوپرهیت و سابکول در سیکل تبرید

با پیشرفت چشم­گیر تکنولوژی در دهه های اخیر، سیستم های مختلف نیز به تبع آن، روز به روز پیشرفته تر می­ شوند. سیستم ها و تجهیزات تهویه مطبوع نیز از این قضیه مستثنا نیستند. امروزه شرکت های فعال در این حوزه بدنبال افزایش سطح اطمینان سیستم، افزایش بهره و بازدهی هستند و با یکدیگر رقابت می کنند. در رابطه با بهره و بازدهی سیستم در سیکل تبرید، مفاهیم سوپرهیت و سابکول نقش مهمی ایفا می ­کنند. اگر شما هم علاقمند هستید تا در این رابطه بیشتر بدانید با ما همراه باشید.

مفهوم سوپرهیت و سابکول و روش محاسبه آنها

مفهوم سوپرهیت:

در ابتدا باید بدانیم دمای تبخیر (Evaporation Temp) چیست؟ دمای تبخیر به دمایی گفته می ­شود که در آن سیال شروع به جوشیدن کرده و از حالت مایع به حالت گاز تبدیل می شود. به عنوان مثال، دمای تبخیر آب در فشار هوای یک اتمسفر برابر با ℃ 100 می­ باشد.

اکنون یک مخزن پر از آب را در نظر بگیرید. فرض کنید دمای آب ℃ 80 می ­باشد. با حرارت دادن به مخزن دمای آب شروع به افزایش می­کند. در فشار هوای یک اتمسفر، آب در دمای ℃ 100 شروع به تبخیر می­کند. اگر در این حالت همچنان به گرم کردن مخزن ادامه دهیم، دمای آب بالا و بالاتر رفته و از ℃ 100 هم عبور می­ کند. در این شرایط به اصطلاح گفته می­شود که آب سوپرهیت شده است. مقدار سوپرهیت از رابطه زیر بدست می ­آید:

دمای تبخیر سیال – دمای فعلی = مقدار سوپرهیت

در مثال ذکر شده، اگر دمای آب به ℃ 107 رسیده باشد، در فشار هوای یک اتمسفر داریم:

℃ ۷ = ۱۰۰ – ۱۰۷ = مقدار سوپرهیت

مفهوم سابکول:

حال مخزنی را فرض کنید که حاوی بخار آب ℃ 120 باشد. در صورتی که مخزن را خنک کنیم و گرمای آن را بگیریم، دمای بخار آب کاهش پیدا می کند. در فشار هوای یک اتمسفر و دمای ℃ 100 بخار آب شروع به میعان می کند. اگر به خنک کردن مخزن ادامه دهیم، دمای بخار آب حتی به زیر ℃ 100 هم می رسد. در این حالت گفته می شود که بخار آب سابکول شده است. مقدار سابکول از فرمول زیر بدست می آید:

دمای فعلی – دمای میعان = مقدار سابکول

در مثال ذکر شده، اگر دمای بخار آب به ℃ 96 رسیده باشد، در فشار هوای یک اتمسفر داریم:

℃ ۴ = ۹۶ – ۱۰۰ = مقدار سابکول

مفهوم دما و فشار اشباع

واقعیت این است که دمای تبخیر مبرد همواره عدد ثابتی نیست و به عوامل مختلف از جمله فشار وابسته است. در نظر داشته باشید که مثال های ذکر شده تا اینجا در فشار هوای 1 اتمسفر مورد بررسی قرار گرفته اند. در یک فشار مشخص به دمایی که در آن فرآیند تغییر فاز اتفاق می افتد، دمای اشباع گفته می­ شود. به همین ترتیب، در یک دمای مشخص به فشاری که در آن فرآیند تغییر فاز اتفاق می افتد، فشار اشباع گفته می­ شود. بطور کلی، فشار و دمای اشباع با یکدیگر رابطه مستقیم دارند در صورتیکه فشار افزایش پیدا کند دمای اشباع نیز افزایش پیدا خواهد کرد.

به عنوان مثال دمای اشباع آب در فشار یک اتمسفر ℃ ۱۰۰ است که همان مفهوم دمای تبخیر آب را دارد. به همین شکل فشار اشباع آب در دمای ℃ ۱۰۰ برابر با یک اتمسفر است. برای درک بهتر این بحث به مثال توجه کنید. فرض کنید که در فشار یک اتمسفر دمای مخزن آبی را تا ℃ ۱۱۵ بالا برده ایم. اکنون با توجه به رابطه موجود و اینکه دمای اشباع آب در فشار یک اتمسفر℃ ۱۰۰ است، داریم:

℃ ۱۵ = ۱۰۰ – ۱۱۵ = مقدار سوپرهیت

حال فرض کنید که فشار به مقدار 1.3 اتمسفر افزایش پیدا کند. دمای اشباع آب در این فشار تقریبا برابر با ℃ ۱۱۱ می باشد. با فرض اینکه فشار ثابت بماند، مخزن را دوباره تا ℃ ۱۱۵ گرم می کنیم، اکنون داریم:

℃ ۴ = ۱۱۱ – ۱۱۵ = مقدار سوپرهیت

بنابر مثال فوق می توان نتیجه گرفت مقدار سوپرهیت و سابکول، به دما و فشار وابسته است.

اهمیت سوپرهیت و سابکول

یکی از مهمترین تجهیزات سیستم های HVAC کمپرسور می باشد. در یک سیستم HVAC کمپرسور مسئولیت متراکم کردن مبرد خروجی از اواپراتور و در نتیجه افزایش دما و فشار آن را بر عهده دارد. در انیمیشن زیر کارکرد کمپرسور را می ­توانید مشاهده کنید:

به طور کلی در حالت جامد و مایع، فاصله بین مولکول ها تقریبا ثابت بوده اما در حالت گازی فاصله بین مولکول ها متغیر بوده و آنها می توانند آزادانه حرکت ­کنند. در نتیجه مواد در حالت گازی تراکم ­پذیر هستند ولی در حالت مایع و جامد غیر قابل تراکم می­ باشند. بنابراین ضروری است که مبرد وارد شده به کمپرسور در حالت گاز قرار داشته باشد. در غیر اینصورت به کمپرسور فشار وارد شده و احتمال بروز آسیب جدی به آن وجود خواهد داشت. به منظور اطمینان از ورود سیال در حالت گاز به کمپرسور باید به میزان کافی سوپرهیت اتفاق افتاده باشد تا سیال به شکل کامل در حالت گاز قرار گرفته باشد. هر چقدر سوپرهیت بیشتری وجود داشته باشد، اطمینان از گازی شکل بودن آن نیز بیشتر خواهد بود. اما باید در نظر داشت که با افزایش سوپرهیت به میزان زیاد، راندمان کلی سیستم نیز کاهش می ­یابد. وظیفه تنظیم میزان سوپرهیت موجود به منظور عملکرد مطمئن و بهینه سیستم بر عهده تجهیزی به نام شیر انبساط می ­باشد. این قطعه با تغییر فشار مبرد داخل اواپراتور و تنظیم مقدار سیال وارد شده به آن سعی می ­کند تا سوپرهیت مورد نیاز سیستم را تنظیم نماید. به طریق مشابه،

در نقطه مقابل مبرد خروجی از کندانسور قبل از ورود به شیر انبساط باید در حالت کاملا مایع قرار گرفته باشد. به همین دلیل سابکول بودن مبرد و اطمینان از مایع شده کامل سیال در این قسمت، موجب افزایش بازدهی سیستم خواهد شد.

انواع مبردها

مبرد (Refrigerant) ماده ای است که به منظور انتقال حرارت از نقطه ­ای به نقطه ا­ی دیگر در سیکل تبرید مورد استفاده قرار می ­گیرد. در اواپراتور سیکل تبرید، مبرد گرما را جذب کرده و بخار می­ شود و سپس گرمای جذب شده را در کندانسور از دست داده و دوباره به فاز مایع بر می­ گردد و این چرخه مرتبا در حال تکرار شدن است. مبرد ها دارای دسته بندی های گوناگونی هستند. یکی از موارد مهم در انتخاب مبرد ها آثار محیط زیستی آنها می­ باشد. برای مقایسه مبرد ها از نظر آثار محیط زیستی شاخص تخریب لایه اوزون (ODP) و شاخص گرمایش زمین (GWP) معرفی می­ شوند.

شاخص تخریب لایه اوزون (Ozone Depletion Potential):

بازه تغییرات این شاخص بین 0 تا 1 تعریف شده است. مقدار ODP مبرد R11 برابر با یک بوده و سایر مبردها با این مبرد مقایسه می شوند. بنابراین هرچهODP یک مبرد به عدد یک نزدیک تر باشد برای لایه اوزون خطرناک تر است. شکل زیر شاخص ODP چند نمونه مبردهای مورد استفاده را نشان می دهد.

شاخص گرمایش زمین (Global Warming Potential):

این شاخص نیز بصورت مقایسه ای بوده و مقدار آن برای دی اکسید کربن برابر یک می ­باشد و در بازه زمانی 100 ساله اندازه ­گیری می ­شود. این شاخص رنج مشخصی ندارد ولی GWP در بازه بین 0 تا 150 خوب، بین 150 تا 2500 متوسط و بیشتر از 2500 مخرب در نظر گرفته می­ شود. شکل زیر شاخص GWP چند نمونه مبرد های مورد استفاده را نشان می­ دهد.

بطور کلی مبردهای مصنوعی به سه دسته کلی تقسیم می شوند:

• کلروفلوئوروکربن (CFCs – Chlorofluorocarbons)

این مبردهای قدیمی در دهه 30 میلادی توسعه یافته بودند و در آن زمان بسیار رایج بودند، اما به علت مخرب بودن آن ها تولید آن ها در سال 1994 متوقف شد. از جمله آنها می­توان به R11، R12، R113، R114، R115 و R502 اشاره کرد.

• هیدو کلروفلوئوروکربن (HCFCs – Hydro chlorofluorocarbons)

این نوع مبرد ها در مقایسه با CFCها خطر بسیار کمتری برای لایه اوزون ایجاد می کنند چرا که در ساختار شیمیایی آنها اتم کلر کمتری وجود دارد. از جمله مبرد های این گروه می ­توان به R22، R123، R124، R141b و R142b اشاره کرد.

• هیدرو فلوئوروکربن (HFCs – Hydro fluorocarbons)

بر خلاف دو گروه قبلی، این نوع از مبرد ها حاوی کلر نبوده و برای لایه اوزون خطری ندارند اما با این وجود در پدیده گرمایش زمین تاثیر گذار هستند. از جمله مبردهای این گروه می­توان به R32، R134a، R410a ، R407c و R507 اشاره کرد.

با بصدا در آمدن زنگ خطرهای زیست محیطی طی چند سال اخیر، HFC ها سهم بیشتری از بازار جهانی را به خود اختصاص داده اند انتظار می ­رود این روند همچنان ادامه داشته باشد. در بازار ایران نیز چهار مبرد R22، R134a، R410a و R407c بسیار رایج و مورد استفاده هستند.

شیر انبساط و عملکرد آن در سیکل تبرید

یک سیکل تبرید شامل چهار تجهیز اصلی می باشد. این چهار قطعه عبارتند از اواپراتور، کمپرسور، کندانسور و شیر انبساط که در کنار یکدیگر یک سیکل تبرید را تشکیل می دهند. در این قسمت قصد داریم به توضیح شیر انبساط (Expansion Valve) و درک عملکرد آن که برای شناخت سیکل تبرید بسیار حیاتی است، بپردازیم.

شکل بالا یک سیکل تبرید را نشان می­ دهد. همانطور که مشاهده می ­کنید، شیر انبساط بین کندانسور و اواپراتور قرار دارد. مبرد گرم شده در کمپرسور، گرمای خود را در کندانسور از دست داده و به حالت مایع تغییر فاز می ­دهد. برای افزایش راندمان سیستم بهتر است که مبرد به اندازه کافی سابکول شده باشد و یا به عبارت دیگر به طور کامل به حالت مایع تبدیل شده باشد. شیر انبساط وظیفه دارد تا فشار مبرد را کاهش دهد. اما این تجهیز پسیو چگونه این کار را می ­کند؟ عملکرد شیر انبساط همانند یک آبپاش است. آب داخل مخزن آبپاش هنگامی که از محیط پرفشار به فضای بیرون وارد می ­شود، از فشار آن کاسته شده و به قطرات کوچک آب تبدیل می­ شود. اتفاق مشابهی در داخل شیر انبساط رخ می ­دهد. از طرف دیگر در اثر کاهش فشار ناگهانی مبرد، دمای آن نیز کاهش یافته و مبرد در حالت دوفازی مایع و گاز، وارد اواپراتور می ­شود.

انواع شیر انبساط

به طور کلی در صنعت تهویه مطبوع تنوع بالایی از شیرهای انبساط وجود دارد که هر کدام کارایی و عملکرد مختص به خود را دارند. از جمله مهم ترین آن ها می ­توان به لوله مویین، شیر انبساط ترموستاتیک و شیر انبساط الکترونیکی اشاره کرد.

• لوله مویین (Refrigeration capillary tubing)

ساختار ساده این کنترل کننده مبرد از یک لوله مسی مارپیچ تشکیل شده است. این لوله به علت طول زیاد و قطر کم، در برابر عبور مبرد مقاومت کرده و فشار را تا حد معینی کاهش می­ دهد. البته برخلاف نام این کنترل کننده، در این لوله خاصیت مویینگی محسوسی وجود ندارد و تنها به وسیله محدود کردن میزان مبرد عبوری، فشار آن کاهش می ­یابد. قطر این نوع لوله ها معمولا بین 0.5 تا 2 میلیمتر و طول آنها بین 1 تا 6 متر می ­باشد. طراحی این لوله با توجه به حجم کاری کمپرسور و میزان تناژ تبرید صورت می ­گیرد.

• شیر انبساط ترموستاتیک (Thermal expansion valve)

شیر انبساط ترموستاتیک یا به اختصار TXV از جمله رایج ترین شیرهای انبساط به شمار می ­رود. در مقایسه با لوله مویین ساختار آن پیچیده تر اما به مراتب بهینه تر است. این نوع از شیرهای انبساط از یک حباب حرارتی که حاوی مقداری مبرد و یک دیافراگم قابل تغییر تشکیل شده است. این حباب حرارتی محتوی مقداری از مبرد سیکل تبرید است و در خروجی اواپراتور نصب می ­شود.

در اثر افزایش دمای خروجی اواپراتور دمای مبرد داخل حباب حرارتی شیر انبساط نیز افزایش پیدا کرده و تبخیر می­ شود. بخار ایجاد شده مطابق شکل از طریق یک لوله ی باریک به بدنه اصلی شیر انبساط انتقال پیدا کرده و بر دیافراگم فشار وارد می­کند. دیافراگم به یک فنر متصل است. بنابراین در اثر فشار، فنر فشرده شده و مسیر عبور مبرد بازتر می­شود. در نتیجه حجم مبرد بیشتری وارد اواپراتور شده و دمای اواپراتور کاهش می ­یابد.

• شیر انبساط الکترونیکی (Electronic expansion valve)

شیر انبساط الکترونیکی یا به اختصار EEV نسبت به نوع ترموستاتیک آن، پیچیده تر و گران قیمت­ تر بوده ولی دارای راندمان بالاتر و سرعت عملکرد بیشتری می ­باشد. در این نوع از شیرها انبساط، به جای حباب حرارتی یک سنسور دما و یک سنسور فشار در انتهای اواپراتور قرار می ­گیرد و به جای دیافراگم و فنر تنظیم کننده، یک استپر موتور با تعداد استپ های مشخص تعبیه شده است. یک کنترل کننده الکترونیکی مجزا، اطلاعات فشار و دمای خروجی اواپراتور را دریافت کرده و با توجه به مقدار سوپرهیت تنظیم شده یک سیگنال کنترلی برای استپر موتور ارسال می کند. در نهایت با چرخش استپر موتورها دهانه شیر انبساط باز یا بسته شده و حجم مبرد ورودی به اواپراتور تنظیم می­ شود.

شکل زیر عملکرد کنترلر شیر انبساط الکترونیکی را در شرایط مختلف فشار و دمای اواپراتور نشان می دهد.