آزمایشگاه ترمودینامیک

Transcript

1 به نام پروردگار یکتا دانشگاه آزاد اسالمی واحد نجف آباد دانشکده فنی و مهندسی گروه مهندسی مکانیک آزمایشگاه ترمودینامیک استاد راهنما: دکتر امیر همایون مقدادی گردآورنده: پوریا صدری کرمی زمستان 2931

2 تحلیل و محاسبه ی توان و راندمان یک کمپرسور رفت و برگشتی تک مر حله ای برای فشرده کردن گاز یا بخار که در صنایع و تاسیسات مختلف نیازهای متعددی به آن است از دستگاهی به نام کمپرسور استفاده می شود. وابسته به دبی و فشار مورد نیاز انواع مختلفی از آن بکار می رود. کمپرسور ها چه از توع دورانی و چه از نوع رفت و برگشتی در انواع دستگاه ها وادوات صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد که در هر حال هدف باال بردن فشار هوا ویا یک گاز خاص برای استفاده ای به خصوص است. اساسا برای دست یابی به نسبت فشار زیاد در محدوده نسبتا وسیعی از دبی از کمپرسور پیستونی یا رفت و برگشتی ( Reciprocating )Comperessor که از نوع جابه جایی مثبت Displacement( )Positive است استفاده می شود. همانگونه که گفته شد یکی از اهداف ما محاسبه راندمان کمپرسور رفت و برگشتی است که در این قسمت روش بدست آوردن راندمان دما ثابت )ایزوترم( و حجمی را توضیح داده و اثبات میکنیم. الف( راندمان در حالت دما ثابت: با استفاده از قانون اول ترمودینامیک کار از رابطه ی زیر بدست می آید : W = H 1 H 2 + mv2 2 mv2 2 + Q (1) که با صرفنظر از انرژی جنبشی و ساده سازی داریم : w = m (h 1 + h 2 ) + Q (2) حال چون فرایند دما ثابت است و سیال فعال هوا )فرض بر گاز کامل بودن( داریم : w = Q (3) حال رابطه فرایند پلی تروپیک را مینویسیم : P 1 V n 1 = P 2 V n 2 (4) که برای یک گاز ایده آل 1=n حالت ایزوترمال )دما ثابت( نام دارد که در ترمودینامیک به آن اشاره شده است و برای این حالت رابطه زیر نتیجه میشود :

3 w = m RT ln P 1 P 2 (5) که با توجه به مراحل اثبات روابط (3) و (5) با هم برابرند. حال با توجه به روابط توان موتور الکتریکی داریم : η elect VI = Tω = TN 2π 60, η elect = (6) حال چون انرژی الکتریکی مصرفی به حرارت تبدیل میشود و روابط (3) و (5) با هم برابرند حال روابط (6) و (5) نیز با هم برابر بوده و از آن راندمان دما ثابت بصورت زیر بدست می آید. η iso = 1000m RT 1 ln P1 P VI (7) ب( راندمان حجمی مفهوم حجم مرده و حجم جابه جایی حجم جابجایی به عنوان حجمی تعریف می شود که پیستون در یک استروک جاروب می کند.به منظور این که پیستون در انتهای هر استروک به سیلندر بر خورد نکند و نیز فضایی برای دریچه های ورودی و خروجی وجود داشته باشد. حجم مرده در کمپرسور های رفت و برگشتی پیش بینی می شود. نسبت حجم مرده به حجم جابجایی (Cleerance) نامیده می شود. مقدار این نسبت بین %3 تا %11 است. راندمان حجمی در کاربردهای عملی کمپرسور دارای اهمیت فراوانی است و مقدار واقعی هوای تخلیه شده را با مقدار ماکزیمم تئوری آن مقایسه میکند. چون در هنگام تخلیه هوای فشرده مقداری از آن در سیلندر باقی می ماند بنابراین در هنگام مکش تمام سیلندر نمی تواند حاوی هوایی تازه باشد و گاز کمتری مکیده میشود که مطابق نمودار زیر )نمودار فرایند واقعی تقریبی نه ایده آل( است :

4 با توجه به نمودار قبل )البته نمودار فرایند واقعی تقریبی( حجم جابجایی برابر است با: V s =V a +V c (8) در حالی که حجم مکش در همان فشار و درجه حرارت برابر است با: V=V a -V d (9) لذا راندمان حجمی از رابطه زیر بدست (10) میآید: η ol = (V V ) (V V c ) وبا استفاده از نمودار P-V و رابطه (10) داریم: V s = V V c (11) η = V V s V = V s V c V V s = 1 V c V s ( V V c 1) (12) P V n داریم : و چون = P c V n c η = 1 V c (( P 1 c ) n 1) (13) V s P : r P = P c P و با توجه به اینکه η = 1 V c V s ((r P ) 1 n 1) (14) که این رابطه را راندمان حجمی می گویند. مینامیم. V c V که معموال نسبت را کلیرانس (Cleerance) همانطور که در رابطۀ 11 مشاهده می شود با افزایش مقدار فشار مقدار راندمان حجمی کاهش می یابد. از اینرو برای فشارهای باال بهتر است از کمپرسورهای چند )دو یا سه( مرحل های استفاده کنیم. بدین طریق مقدار هوای وارد شده در یک نسبت فشار معین بهبود می یابد و اینکار می تواند مقدار توان کل مورد نیاز را برای دستیابی به دو نسبت فشار کاهش دهد.

5 فرآیند تک آنتروپی و بازده تک آنتروپی اگر چه مقداری انتقال گرما بین وسایل با جریان پایا و محیط اطراف وجود دارد اغلب این وسایل برای کارکرد در شرایط آدیاباتیک طراحی می شوند. بنابراین فرایند مدل برای این وسایل باید آدیاباتیک باشد. به عالوه فرایند ایده آل باید فاقد برگشت ناپذیری باشد زیرا برگشت ناپذیری ها همیشه در جهت افت عملکرد وسایل صنعتی عمل می کنند. از اینرو فرایند فرایند ایده آلی که میتواند به عنوان مدا مناسبی برای بیشتر وسایل با جریان پایا عمل کند فرایند تک آنتروپی است. هرچه فرایند واقعی به فرایند ایده آل تک آنتروپی نزدیک تر باشد وسیله بهتر کار میکند. از این رو پارامتری الزم داریم که به طور کمی تعیین کند یک وسیله واقعی چقدر به وسیله ایده آل نزدیک است. این پارامتر بازده تک آنتروپی یا بازده آدیاباتیک است که معیاری برای انحراف فرایند های واقعی از فرایند های ایده ال متناظر است. بازده آدیاباتیک برای وسایل مختلف به طرق گوناگون تعریف می شوند زیرا هر وسیله برای انجام کار خاصی طراحی می شود. در زیر بازده آدیاباتیک کمپرسور را توسط مقایسه عملکرد واقعی این وسایل با عملکرد آنها در شرایط تک آنتروپی برای شرایط ورودی و خروجی یکسان تعریف می کنیم. بازده تک آنتروپی کمپرسورها بازده تک آنتروپی کمپرسور ها عبارت است از نسبت کار مورد نیاز برای آفزایش فشار یک گاز تا مقداری معلوم در فرایند تک آنتروپی به کار مورد نیاز واقعی : η C = = w s w کار تک آنتروپی کمپرسور کار واقعی کمپرسور توجه کنید که در تعریف بازده تک آنتروپی کمپرسور کار تک آنتروپی در صورت کسر آورده شده است نه در مخرج زیرا w s کمتر از w a است و با توجه به این تعریف η c نمیتواند بیشتر از 111 درصد باشد ( اگر η c بزرگتر از 111 درصد باشد به نادرستی می رساند که کمپرسور واقعی بهتر از کمپرسور تک آنتروپی کار میکند. همچنین توجه کنید که شرایط ورودی و فشار خروجی گاز برای کمپرسور های واقعی و تک آنتروپی یکسان است. اگر تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل گازی که متراکم می شود ناچیز باشد کارداده شده به کمپرسور آدیاباتیک برابر است با تغییر آنتالپی و معادله در این حالت بصورت زیر است. η c h 2s h 1 h 2 h 1

6 که در آن هستند. مقدار درصد است. h 1s و h 1a η c به ترتیب مقادیر آنتالپی در حالت خروجی برای فرایند های تراکم واقعی و تم آنتروپی به طرح کمپرسور کامال بستگی دارد. بازده کمپرسورها با طرح مناسب در گستره 57 تا 57 با توجه به تغییرات انرژی های جنبشی و پتانسیل ناچیز مایعات بازده تک آنتروپی بصورت زیر تعریف می شود: η P = w s w = ν(p 2 P 1 ) h 2 h 1 اگر گاز در ضمن تراکم خنک نشود فرایند واقعی کمپرسور تقریبا آدیاباتیک است و فرایند آدیاباتیک برگشت پذیر ( یعنی تک آنتروپی ) بعنوان مدل ایده آل عمل میکند.اما گاهی اوقات کمپرسور ها را عمدا خنک میکنند و برای این منظور از پره ها یا ژاکت آب که در پیرامون محفظه قرار گرفته است استفاده میشود. با این عمل کار مورد نیاز کاهش میابد. در این حالت فرایند فرایند تک آنتروپی بعنوان فرایند مدل به کار نمی رود زیرا وسیله آدیاباتیک نیست و بازده تک آنتروپی کمپرسور که در باال تعریف شد بی معنی است. فرایند مدل واقعی برای کمپرسور هایی که که در فرایند تراکم عمدا خنک میشوند فرایند تک دمای برگشت پذیر است.

7 در این موارد بازده تک دما را توسط مقایسه فرایند واقعی با فرایند تک دمای برگشت پذیر می توان بصورت زیر تعریف کرد: η P = w t w w a و که در آن w t کار مورد نیاز کمپرسور به ترتیب در حالت تک دمای برگشت پذیر و در حالت واقعی هستند. استفاده از هوای ورودی به کمپرسور ( هوای خارج از اتاقک کمپرسور( قدرت مصرفی کمپرسور با حجم مخصوص آن متناسب است و حجم مخصوص نیز با دمای مطلق گاز در یک فشار معین متناسب است. همچنین کار کمپرسور با دمای هوای ورودی تناسب مستقیم دارد. بنابراین هر چه دمای هوای ورودی کمتر باشد کار کمپرسور نیز کمتر است. بنابراین ضریب کاهش قدرت که کسر کاهش قدرت ناشی از جذب هوای خارج است بصورت زیر بدست می آید: کاهش f = یا هوای داخل تراکم W یا هوای خارج تراکم W داخل T خارج T خارج T = = 1 یا هوای داخل تراکم W داخل T داخل T R خارج T داخل T که در آن و به ترتیب دماهای مطلق هوای محیط در داخل و خارج وسیله ( بر حسب یا ) K است. دستگاه مورد آزمایش تشکیل شده است از یک کمپرسور رفت و برگشتی که توسط یک الکتروموتور به حرکت در می آید. میزان توان الزم جهت کمپرسور را می توان توسط دانستن توان مصرفی موتور و راندمان الکتریکی آن محاسبه نمود از همین رو برروی پانل اندازه گیری سیستم میزان ولت/آمپر مصرفی الکتروموتور مشخص است. دستگاه مورد نظر دارای یک تانک است که هوای خروجی کمپرسور وارد آن میشود که الزم به ذکر است این فشار بر روی دستگاه توسط یک فشار سنج )فشار سنج سمت چپ دستگاه( قابل مشاهده است که البته وارد محاسبات نمی شود و تنها فشار ورودی به کمپرسور که همان فشار هوای محیط است وارد محاسبات میشود )فشار هوا (. 111kp همچنین فشار خروجی از کمپرسور نیز روی دستگاه )فشار سنج سمت راست دستگاه ) قابل مشاهده است. در کنار تانک یک عدد لوله تعبیه شده که می توان با قرار دادن مانومتر در دهانه آن سرعت و دمای هوای ورودی به کمپرسور را نیز اندازه گیری نمود. البته دقت کنید که بر روی مانومتر فلش مشخص شده که در حین اندازه گیری به این دلیل که هوا وارد لوله میشود باید جهت فلش به سمت داخل لوله باشد. قطر این لوله 63mm است.

8 P 1 : T 1 دمای هوای ورودی به کمپرسور, 1 : T دمای هوای خروجی از کمپرسور, 3 : T دمای هوای داخل تانک : فشار اتمسفر)ورودی به کمپرسور(, P 1 : فشار هوای خروجی از کمپرسور, P 3 : N دور کمپرسور )بر حسب : V, ) rpm ولتاژ مصرفی, I : جریان مصرفی : فشار هوای داخل تانک شیر کنترل دبی جرمی هوا را باز کنید تا فشار سنج مخزن فشار صفر را نمایش دهد. - ولوم کنترل دور را بر روی عدد صفر قرار دهید. - کلید را در حالت روشن قرار دهید. - ولوم کنترل دور را مقداری بچرخانید. - شیر کنترل دبی جرمی هوا را ببندید تا فشار افزایش پیدا کند. - پیش از این که فشار مخزن به حدود مثال 2 اتمسفر رسید شیر کنترل دبی جرمی را قدری باز کنید تا فشار داخل مخزن ثابت بماند. - اجازه دهید سیستم به حالت تعادل برسد. - مقادیر فشار دما آمپر دبی و دور را یادداشت کنید. - در چند فشار مختلف به همین صورت آزمایش را تکرار کنید. تذکر مهم : در 3 فشار خروجی )مخزن( ثابت 1.1bar 2.1bar 2bar به ترتیب برای 3 دور 044rpm 044rpm 144rpm کمپرسور مراحل فوق را تکرار کنید و داده های بدست آمده را در جدول ثبت کنید. الزم به ذکر است : - همان طور که در مراحل آزمایش آمده است. برای انجام هریک از حالتهای آزمایش ابتدا باید مخزن خالی شود.

9 - اگر در حین آزمایش به هر دلیلی کمپرسور خاموش شد برای شروع مجدد آزمایش باز هم باید مخزن خالی شود. تا هنگام روشن کردن دستگاه به کمپرسور فشار نیاید.. 1 منحنی دمای خروجی از کمپرسور بر اساس فشار های خروجی و تحلیل آن.. 1 منحنی دبی مصرفی بر اساس دور های متفاوت و تحلیل آن.. 3 محاسبه راندمان حجمی در حالت های مختلف آزمایش با فرض % 5 کلیرانس. ( توجه کنید که ابتدا n را T 2 = ( P n 1 2 n از رابطه ی ) برای هر آزمایش بدست آورید و سپس با n راندمان حجمی را بدست آورید.(. T 1 P 1. 1 محاسبه راندمان ایزوترم کلی در حالتهای مختلف آزمایش ومقایسه آن با راندمان حجمی. 400rpm 500rpm 600rpm T 1 T 2 T 3 P atm P comp-exit P tank A amp V volt V m/s

10 آشنایی با اجزای اصلی یک پمپ حرارتی صنعتی تعیین ضریب عملکرد پمپ حرارتی شناخت پارامتر های تاثیر گذار بر روی ضریب عملکرد بررسی سیکل بر روی نمودار های ترمودینامیکی و مقایسه سیکل واقعی و ایده آل. همان طور که در باال ذکر شد در این آزمایش به شناخت پارامتر های مختلف تاثیر گذار بر روی پمپ حرارتی و یا سیکل تبرید تراکمی پرداخته می شود این سیستم دارای اجزای اصلی یک پمپ حرارتی صنعتی و یا سیکل معکوس آن یعنی تبرید تراکمی صنعتی است. که با توجه به قابلیت هواسازی راحت تر و مناسب تر با کمک این سیکل ها امروزه کاربرد بیشتری یا فته اند. با شناخت پارامتر های مختلف می توان با در نظر گرفتن تمامی مشکالت و محدودیت ها بهترین شرایط کاری برای یک سیکل تبرید و یا پمپ حرارتی بدست آورد. هم چنین با توجه به این که مبدل ها از اجزای اصلی مربوط مسائل انتقال حرارت می باشند. این دستگاه هم شامل دو مبدل مایع هوا و مایع مایع می باشد.که در این جا به طور کامل مبدل مایع مایع )لوله و پیوسته ) مورد بررسی قرار می گیرد. از آنجا که در این پمپ گرما از هوا به آب داده می شود پمپ حرارتی هوا به آب نامیده می شود. پمپ حرارتی ماشینی است که اساس کار آن جذب گرما از یک منبع با در جه حرارت پایین در اوپراتور و تحویل گرما در کندانسور است. پمپ حرارتی برای گرم کردن فضا های مختلف یا آب گرم خانه مناسب است. طبق قانون دوم ترمودینامیک برای انتقال گرما از یک محیط سرد به یک محیط گرم باید کار وارد سیستم شود. با بررسی سیکل تبرید تراکمی بوضوح مشاهده می شود که انرژی گرمایی تولید شده توسط پمپ حرارتی از کار ورودی به آن بیشتر است بنابراین در سیستم های گرمایش به منظور کاهش انرژی مصرفی )نسبت به سیستم هایی نظی بخاری برقی و... ) می توان از پمپ حرارتی استفاده نمود. منبع درجه حرارت پایین در اواپراتور عموما در عمل آب با هواست. اما می توان از منابع دیگری مانند تشعشع خورشیدی بخار آب فشار پایین دودکش یا گاز های خروجی ماشینهای حرارتی نیز استفاده نمود.

11 الف( سیکل کارنوی معکوس از ترمودینامیک می دانیم که سیکل کارنو یک سیکل برگشت پذیر کلی است و شامل دو فرایند تک دمای برگشت پذیر و دو فرایند تک آنتروپی است. بازده گرمایی آن برای حدوددمای مشخص مقدار ماکزیممی دارد و به عنوان استانداردی عمل میکند که بازده سیکل های قدرت واقعی را میتوان با آن مقایسه کرد. چون سیکل کارنو یک سیکل برگشت پذیر است تمام چهار فرایند تشکیل دهنده آن را می توان معکوس کرد. معکوس کردن سیکل باعث معکوس شدن جهت بر هم کنش های کار و گرما میشود. در نتیجه سیکلی بدست میاید که در جهت پادساعتگرد کار میکند و به آن سیکل کارنوی معکوس میگویند. یخچال یا پمپ گرمایی را که بر مبنای سیکل کارنوی معکوس کار میکند یخچال کارنو یا پمپ گرمای کارنو می گویند. سیکل کارنوی معکوسی را در نظر بگیرید که در گنبدی اشباع مبردی انجام میشود. مبرد گرمای دما پایین دمای آن تا Q L T H T L را از منبع بصورت تک دما جذب میکند ( فرایند 2-1 ( تا حالت 3 بصورت تک آنترپی متراکم می شود ( افزایش می یابد ( گرمای Q H را بطور تک دما به منبع دما باالی و بطور تک آنتروپی تا حالت 1 منبسط میشود ( دمای آن تا کاهش کندانسور در حالت اشباع به حالت مایع اشباع در می آید. ضرایب عملکرد یخچال ها و پمپ های کارنو بصورت زیر تعیین میشود: T H T L دفع میکند ( فرایند 4-3 ( می یابد (. مبرد در فرایند 3-4 در کارنو R COP = کارنو HP COP = 1 T H TL T L T H cop T H توجه کنید که با افزایش اختالف دماها یعنی با افزایش T L یا با کاهش افزایش می ها دو هر یا یابند.

12 از میان تمام سیکل های تبریدی که بین حدود دمای یکسان کار میکنند سیکل تبرید کارنو کار آمد ترین سیکل است. بنابراین بدیهی است بخواهیم سیکل کارنو را بعنوان سیکا ایده آلی برای یخچال ها و پمپ گرما در نظر بگیریم. اما همانطور ک در زیر توضیح داده شده است سیکل کارنوی معکوس مدل مناسبی برای سیکل های تبرید نیست. انجام دو فرایند تک دما عمال کار مشکلی نیست زیرا با ثابت نگه داشتن فشار دمای مخلوط دو فازی در دمای اشباع ثابت می ماند. بنابراین در اواپراتورها و کندانسور های واقعی میتوان به فرایند های 1-2 و 4-3 نزدیک شد. زیرا فرایند های 3-2 با تراکم مخلوط مایع- بخار سرو کار دارند و احتیاج به کمپرسوری دارد که با دو فاز کار کند و فرایند 4-1 با انبساط مبردی سرو کار دارد که دارای رطوبت باالیی است. به نظر می رسد که با انجام سیکل کارنوی معکوس در خارج از ناحیه ی اشباع می توان این مشکالت را رفع کرد. اما در این حالت برای حفظ شرایط تک دما در فرایند های جذب و دفع گرما مشکل خواهیم داشت. بنابراین نتیجه میگیریم که سیکل کارنوی معکوس را در وسایل واقعی نمی توان حتی بطور تقریبی اجرا کرد و این سیکل مدل مناسبی برای سیکل های تبرید نیست. ولی از سیکل کارنوی معکوس به عنوان استانداردی که سیکل های تبرید واقعی با آن مقایسه میشوند می توان استفاده کرد.

13 ب( سیکل تبرید تراکمی ایده آل جایگزینی توربین توسط یک وسیله فشار شکن مانند شیر انبساط یا لوله مویین برای تبخیر کامل مبرد قبل از تراکم آن میتوان بسیاری از مشکالت عملی مربوط به سیکل کارنوی معکوس را حل کند. سیکل حاصل را سیکل تبرید تراکمی ایده ال می گویند و نمودار T-S آن نشان داده شده است.سیکل تبرید تراکمی متداول ترین سیکلی است که در یخچال ها سیستم های تهویه مطبوع و پمپ های گرما بکار میرود. این سیکل از چهار فرایند تشکیل شده است: 2-1 تراکم تک آنتروپی در کمپرسور 3-2 دفع گرما با فشار ثابت در کندانسور 4-3 فشار شکنی در وسیله ی انبساط 1-4 جذب گرما با فشار ثابت در اواپراتور در سیکل تبرید تراکمی ایده الی مبرد در حالت 1 بصورت بخار اشباع وارد کمپرسور میشود و بطور تک آنتروپی تا فشار کندانسور متراکم میشود. در این تراکم تک آنتروپی دمای مبرد خیلی بیشتر از دمای محیط اطراف میشود. مبرد سپس در حالت 2 بصورت بخار فوق گرم واردکندانسور می شود و بر اثر دفع گرما به اطراف در حالت 3 بصورت مایع اشباع از کندانسور خارج می شود. دمای مبرد در این حالت هنوز بیشتر از دمای اطراف است. مبرد مایع اشباع در حالت 3 با عبور از شیر انبساط یا لوله مویین تا فشار اواپراتور دستخوش فشار شکنی میشود. دمای مبرد در این فرایند به کمتر از دمای محیط سرد شده می رسد. مبرد در حالت 4 بصورت مخلوط اشباع با کیفیت کم وارد اواپراتور می شود و با جذب گرما از محیط تبرید شده کامال تبخیر می شود. مبرد بصورت بخار اشباع از اواپراتور خارج و دوباره وارد کمپرسور شده وسیکل تکمیل می شود.

14 در یخچال های خانگی محفظه فریزر که در آن گرما توسط مبرد جذب می شود به عنوان اواپراتور عمل می کند. کویل های پشت یخچال که در آن گرما به هوای آشپزخانه دفع می شود به عنوان کندانسور عمل میکنند. می دانیم که مساحت زیر منحنی فرایند در نمودار T-S انتقال گرما را برای فرایند های برگشت پذیر داخلی نشان میدهد. مساحت زیر منحنی فرایند 1-4 گرمای جذب شده توسط مبرد را در اواپراتور نشان میدهد و مساحت زیر منحنی 3-2 گرمای دفع شده را در کندانسور نشان میدهد. یک قانون سر انگشتی این است که

15 4 تا 2 برای هر درجه سانتیگراد افزایش دمای تبخیر یا برای هر درجه سانتیگراد کاهش دمای چگالش COP به اندازه درصد افزایش می یابد. نمودار دیگری که اغلب در تحلیل سیکل های تبرید تراکمی به کار می رود نمودار P-h است. در این نمودار سه تا از چهار فرایند بصورت خطوط راست هستند و انتقال گرما در کندانسور و در اواپراتور با طول منحنی های متناظر متناسب است. توجه کنید که برخالف سیکل های ایده آلی موجود در کتاب ترمودینامیک سیکل تبرید تراکمی ایده آل یک سیکل برگشت پذیر داخلی نیست. زیرا شامل فرایند برگشت ناپذیر فشار شکنی است. به همین دلیل اتز این سیکل به عنوان مدل بهتری برای سیکل تبرید تراکمی واقعی استفاده میشود. اگر یک توربین تک آنتروپی جایگزین وسیله فشار شکن شود مبرد در حالت 4 به جای حالت 4 ئارد اواپراتور می شود. در نتیجه ظرفیت تبرید افزایش می یابد ( به اندازه مساحت زیر منحنی فرایند 4-4 در شکل( و کار خالص داده شده کاهش می یابد ( به اندازه کار خروجی از توربین (. البته جایگزینی شیر انبساط توسط توربین عملی نیست زیرا بهره حاصل از آن نمی تواند افزایش هزینه و پیچیدگی های مربوطه را توجیه کند. تمام چهر جزء مربوط به سیکل تبرید تراکمی وسایل با جریان پایا هستند و از این رو تمام چهار فرایند تشکیل دهنده سیکل را بصورت فرایند های پایا می توان تحمل کرد. تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل مبرد در مقایسه با جمله های کار و انتقال گرما معموال کوچک اند و از آنها می توان صرفنظر کرد. بنابراین معادله انرژی پایا بر مبنای جرم واحد به شکل زیر است: ورودی q) خروجی q ورودی (w + ) خروجی w ) = h e h i

16 کندانسور و اواپراتور فاقد بر هم کنش کارهستند و کمپرسور را می توان تقریبا آدیاباتیک گرفت. بنابراین ضریب عملکرد ( cop ) یخچال ها و پمپ های گرما را که بر مبنای سیکل تبرید تراکمی کار میکنند میتوان بصورت زیر بیان کرد: COP R = q L ورودی خالص W = h 1 h 4 h 2 h 1 COP HP = q H ورودی خالص W = h 2 h 3 h 2 h 1 h 2 =h و f@p3 h 1 =h g@p1 که در آن در حالت ایده آل می باشد. ج ) سیکل های تبرید تراکمی واقعی سیکل تبرید تراکم واقعی با سیکا ایده آل چند تفاوت دارد و این تفاوت ها عمدتا ناشی از برگشت ناپذیری هایی است که در اجزاء مختلف روی میدهند. دو تا از عوامل برگشت ناپذیری عبارتند از اصطکاک سیال ( که باعث افت فشار می شود ) و انتقال گرما به ( یا از ) اطراف. نمودار T-s سیکل تراکم واقعی در شکل نشان داده شده است. در سیکل ایده آل مبرد مبرد بصورت بخار اشباع از اواپراتور خارج و وارد کمپرسور می شود. ولی در عمل نمی توان حالت مبرد را دقیقا کنترل کرد. بلکه بهتر است سیستمی طراحی شود که مبرد را در ورودی کمپرسور تا اندازه ای فوق گرم کند. مبرد قبال از ورود به کمپرسور کامال تبخیر می شود. همچنین خط اتصال بین اواپراتور و کمپرسور معموال خیلی بلند است از اینرو افت فشار حاصل از اصطکاک سیال ور انتقال گرما از اطراف به مبرد می تواند خیلی بلند باشد. تاثیر فوق گرمایش جذب گرما در خط اتصال و افت های فشار در اواپراتور و خط اتصال این است که حجم مخصوص افزایش می یابد و از اینرو قدرت مورد نیاز کمپرسور افزایش می یابد زیرا کار جریان پایا متناسب با حجم مخصوص است. فرایند تراکم در سیکل ایده آل از نوع برگشت پذیر داخلی و آدیاباتیک ( تک انتروپی ) است. ولی فرایند تراکم واقعی شامل اثرات اصطکاکی است که آنتروپی را افزایش میدهند و همچنین باعث افزایش انتقال گرما می شوند و این افزایش بر حسب این که در چه جهتی باشد باعث افزایش یا کاهش آنتروپی می شود. بنابراین در فرایند تراکم واقعی انتروپی مبرد بر حسب این که کدام اثر غالب است ممکن است افزایش یابد ( فرایند 2-1 )

17 یا کاهش یابد ( فرایند 2-1 (. فرایند تراکم 2-1 حتی می تواند مطلوب تر از فرایند تراکم تک آنتروپی باشد زیرا حجم مخصوص مبرد و از اینرو کار ورودی مورد نیاز در این حالت کوچکتر است. بنابراین در صورتیکه عملی و اقتصادی باشد مبرد را باید در فرایند تراکم خنک کرد. در حالت ایده آل فرض می شود مبرد بصورت مایع اشباع در فشار خروجی کمپرسور از کندانسور خارج می شود. ولی در حالت های واقعی مقداری افت فشار در کندانسور- کمپرسور- شیر انبساط وجود دارد. همچنین نمی توان به سهولت فرایند چگالش را با آنچنان دقتی انجام داد که مبرد در انتهای فرایند بصور تمایع اشباع باشد و فرستادن مبرد به شیر انبساط قبل از چگالش کامل آن کار مطلوبی نیست. بنابراین مبرد قبل ورود به شیر انبساط کمی فرسوده می شود. ولی هیچ وقت اهمیتی به این موضوع نمی دهیم زیرا مبرد در این حالت با آنتالپی کمتری وارد اواپراتور می شود و می تواند گرمای بیشتری را از فضای تبرید شده جذب کند. شیر انبساط و اواپراتور معموال خیلی نزدیک به هم قرار می گیرند. و بنابراین افت فشار در خط اتصال کوچک است. برای طراحی سیستم تبرید مبرد های مختلفی را می توان انتخاب کرد از قبیل کلروفلوئورکربن ها ( CFC ( آمونیاک هیدروکربن ها ( پروپان اتان اتیلین و غیره( در اکسید کربن هوا ( در تهویه مطبوع هواپیما و حتی آب ( در کاربرد های باالی نقطه ی انجماد(. انتخاب مناسب به شرایط موجود بستگی دارد. از بین این مبردها

18 و CFC هایی مانند 11-R 502-R R-134a 22-R 12-R متجاوز از 00 درصد بازار را در ایاالت متحده به خود اختصاص داده اند. در چیلر های آب با ظرفیت زیاد که درسیستم های تهویه مطبوع در ساختمانها به کار می روند عمدتا از 11-R استفاده میشود. از 12-R در یخچال ها و فریزر های خانگی و در سیستم تهویه اتومبیل ها استفاده می شود. 22-R در سیستم های تهویه مطبوع پنجره ای در پمپ های گرما در سیستم های تهویه مطبوع تجاری و در سیستم های تبرید بزرگ صنعتی به کار می رود و رقیب مهمی برای آمونیاک است. 502-R ( ترکیبی از 15-R R-22 ) مبردی است که در سیستم های تبرید تجاری مانند سیستم هایی که در سوپر مارکت های کار میکنند عمدتا از آن استفاده می شود. ودر سیستم هایی که با تراکم یک مرحله ای کار میکنند دماهای پایینی را در اواپراتور ها بوجود می آورند. دو پارامتر مهمی که در انتخاب مبرد باید در نظر گرفت عبارتند از دماهای دو محیط ( فضای تبرید شده و اطراف( که مبرد با آنها تبادل گرما دارد. برای ایجادانتقال گرما با آهنگ معقول بین مبرد و محیطی که مبرد با آن انتقال گرما دارد اختالف دمای 10 تا 5 درجه ی سانتیگراد باید وجود داشته باشد مثال اگر بخواهیم فضای تبرید شده در 10- درجه سانتیگراد بماند دمای مبرد در ضمن جذب گرما در اواپراتور باید تقریبا 20- درجه سانتیگراد باشد. کمترین فشار در سیکل تبرید در اواپراتور روی میدهد و این فشار باید بیشتر از فشار اتمسفر باشد تا از نشت هوا به داخل سیستم تبرید جلوگیری شود. در این بنابراین حالت خاص مبرد در 20- درجه سانتیگراد باید دارای فشار 1atm یا باالتر باشد. آمونیاک و R-134a دو نمونه از این مواد هستند. دما ( واز اینرو فشار ) مبرد در کندانسور بستگی به محیطی دارد که گرما به آن دفع می شود. اگر مبرد توسط آب خنک کن به جای هوا در کندانسور خنک شود دماهای پایین تری رادر کندانسور ( و از این رو cop های باالتر( را می توان بدست آورد. ولی استفاده از آب خنک کن توجیه اقتصادی ندارد مگر در سیستم های تبرید صنعتی. دمای مبرد را در کندانسور نمی توان به کمتر از دمای محیط خنک کن رساند واگر بخواهیم فرایند دفع گرما تقریبا تک دما باشد فشار اشباع مبرد در این دما باید خیلی کمتر از فشار بحرانی آن باشد.اگر هیچ مبردی نتواند به تنهایی شرایط دمایی را برقرار کند از دو یا تعداد بیشتری سیکل تبرید یا مبرد های مختلف که بطور گویند. سری قرار گرفته اند می توان استفاده کرد. این سیستم تبرید را سیستم زنجیره ای می سایر مشخصاتی که یک مبرد باید دارا باشد عبارتند از: غیر سمی غیرخورنده اشتعال ناپذیر و بطور شیمیای پایدار داشتن آنتالپی تبخیر باال ( که آهنگ جریان جرمی را به حداقل می رساند و البته قابل دسترسی با قیمت کم.

19 ش- در پمپ های گرما دما )و فشار ) مینیمم مبرد می تواند خیلی بیشتر باشد زیرا معموال از محیط هایی گرما میگیرند که خیلی باالتر از دماهایی هستند که در سیستم های تبرید با آنها مواجه می شویم. نکته ی مهم : برطبق پیمان های بین المللی استفاده از بعضی CFC ها ممنوع شده است. CFC های کامال هالوژنه )مانند 11-R 12-R و 115-R ) در تخریب الیه ی اوزن بیشترین سهم را دارند. سهم مبرد هایی که کامال هالوژنه نیستند از قبیل 22-R در تخریب الیه ی اوزن تقریبا 5 درصد سهم 12-R است. CFC هایی تولید شده اند که الیه ی اوزن را تخریب نمیکنند و ضمنا در اثر گلخانه ای هم سهمی ندارند. اخیرا مبرد بدون کلر R-134a جایگزین 12-R شده است. سیال عامل در این پمپ حرارتی (R12) CCl 2 F 2 می باشد. منبع با دمای پایین در اواپراتور هوای اتمسفر است. بدین معنی که در اواپراتور حرارت از هوای اتمسفر به R12 منتقل می شود و R12 تبخیر می گرد. در کندانسور بخار داغ R12 گرمای نهان خود را به آب منتقل می کند و تقطیر می گردد. سیکلی که R12 در این دستگاه طی می کند همان سیکل تبرید تراکمی است که در بخشهای قبل توضیح داده شد. شیر انبساط از نوع ترمو استاتیکی است. دماسنج ها دماسنج دیجیتال هستند و دبی آب توسط روتامتر اندازه گیری می شود. اگر بار کمپرسور از حد مجاز بیشتر شود توسط سیستم های حفاظتی کمپرسور خاموش می شود و در صورت رفع اشکال دوباره به کار می افتد. مطلب قابل توجه این است که بخار ورودی به کمپرسور باید تقریبا به میزان سوپرهیت )فوق داغ( باشد. یعنی T 1 دمای R12 در ورود به کمپرسور باید باالتر از دمای اشباع در فشار اواپراتور باشد. ( این امر هم به این خاطر است که ورودی به کمپرسور فاز گازی باشد (. دستگاه از اجزای مختلفی شامل کمپرسور اواپراتور )هوایی ( کندانسور )پوسته و لوله( روتامتر برای اندازه گیری د یب متر فشار سنج ترمومترهای دیجیتالی و... تشکیل شده است. آب درایر وات ساعت طریقه روشن کردن دستگاه 1 یر ورودی آب را به مقدار زیادی باز کنید.

20 2- کلید اصلی را روشن کنید. بعد از این که نشان دهنده های درجه حرارت و فشار اعداد ثابتی را نشان دادند می توان آزمایش را شروع کرد. طریقه خاموش کردن دستگاه قبل از خاموش کردن دستگاه دبی آب کندانسور را به مدت 2 تا 3 دقیقه افزایش دهید. سپس دستگاه را خاموش کنید پس از چند دقیقه شیر آب کندانسور را ببندید. در تمام ازمایش ها به خاطر داشته باشید که برای حفاظت دستگاه ابتدا شیر آب کندانسور را باز نمایید تا آب خنک کننده کندانسور جریان داشته باشد سپس کمپرسور روشن شود. هدف آزمایش : شناخت پارامتر های تاثیر گذار بر روی ضریب عملکرد. - 1 مطابق دستورالعمل فوق دستگاه را روشن نمایید. - 2 وابسته به شرایط هوایی محل آزمایش دبی آب کندانسور را به حدی باز نمایید که اختالف دمای آب ورودی و خروجی از کندانسور حداقل 1 درجه باشد. ( کم باز کنید تا زودتر به حالت دائم برسد( - 3 صبر کنید تا دستگاه به شرایط دائم برسد سپس دماها و همچنین فشار کندانسور و اواپراتور را در جدول زیر یادداشت نمایید. - 4 در هر مرحله دبی آب را 1Lit/min کاهش دهید و مراحل فوق را تکرار نمایید. اندازه گیری قدرت ورودی به کمپرسور و فن توسط وات ساعت متر وات - ساعت متر دارای یک دیسک است که به میزان مصرف انرژی می چرخد و تعداد دور هایی که متناظر با Kwh است روی آن نوشته شده است. برای 220V می دانیم که برای مصرف 375 1Kwh دور می زند. بنابراین برای محاسبه قدرت ورودی می توان به طریق زیر عمل کرد:

21 بنابراین در هر دور = 9600j 1Kwh = j زند قدرت ورودی از رابطه زیر بدست می انرژی مصرف می شود. اگر x زمانی باشد که دیسک یک دور می آید : power = 9600 x watt برای افزایش دقت اندازه گیری مدت زمان 10 دور را اندازه گیری نمایید. زمان گردش یک دور دیسک کنتور فشار اواپراتور ( مکش کمپرسور ) نوع سیال آزمایش X sec P 1 (psi) (psi) P 2 فشار کندانسور ( خروج کمپرسور ) R 12 دمای مکش کمپرسور دمای خروج کمپرسور T 1 C T 2 C دمای خروج کندانسور T 3 C دمای ورودی اواپراتور T 4 C دبی جرمی m w (lit/min) دمای ورودی کندانسور آب T 5 C دمای خروجی کندانسور T 6 C

22 - 1 در تمام دبی ها جدول فوق قدرت ورودی به کمپرسور وفن گرمای خروجی و ضریب عملکرد را محاسبه نمایید. - 2 با تغییر د یب آب ورودی به محفظه کندانسور سیکل مبرد دچار تغییراتی می شود علت ای تغییرات را بیان کنید همچنین پارامتر هایی را که از این تغییر تاثیر می پذیرند را با دقت در اعدادی که در جدول فوق پیدا کرده اید ذکر نمایید. - 3 تغییر د یب آب ورودی به محفظه کندانسور چه تاثیری بر فشار عملکردی اواپراتور و کندانسور دارد 4 سیکل واقعی و ایده آل را ترسیم نموده و دو سیکل را از لحاظ کلیات ترمودینامیکی مورد تحلیل قرار دهید.

23 بدست آوردن راندمان سیكل استرلینگ و نقش بازیاب در این سیكل. موتور استرلینگ موتورهای گرما- کاری هستند که حرارت را تبدیل به جنبش می کنند و نسبت به موتور بنزینی و دیزلی کارآیی بیشتری دارند. امروزه چنین موتورهایی برای موردهای خاص استفاده می کنند مثل زیر دریایی یا قایق خصوصی. گازهایی که درون موتور استرلینگ استفاده می شود هرگز از موتور خارج نمی شوند. در چنین موتورهایی هیچ احتراقی صورت نمی پذیرد هیچ اگزوزی وجود ندارد و هیچ صدای انفجاری شنیده نمی شود به همین دلیل چنین موتورهایی فاقد صدا هستند. این موتورها از منبع گرمایی خارجی مثل آتش استفاده می کنند. گرما به گاز درون سیلندر گرم شده اضافه می شود. همین امر سبب ایجاد فشار می گردد و پیستون را به سمت پائین می برد. زمانیكه پیستون راست پائین میرود پسیتون چپ به سمت باال برده می شود. سپس گاز گرم را به سیلندر خنک شده وارد می نماید که خیلی سریع گاز را خنک می سازد و فشار آنرا پائین می آورد. پیستون سیلندر خنک شده گاز را فشرده می سازد. گرمای ایجاد شده توسط چنین فشرده سازی توسط منبع خنک سازی خارج می گردد. موتور استرلینگ فقط نیرو را در مدت بخش اولیه چرخش بوجود می آورد. دو روش اساسی جهت افزایش نیروی خارجی چرخه استرلینگ وجود دارد: در مرحله اول فشار گاز گرم شده بر پیستون فشار وارد می آورد. افزایش فشار در این مرحله نیروی خارجی موتور را افزایش میدهد. یک روش افزایش فشار افزایش درجه حرارت گاز است. به طور ک یل دو نوع موتور وجود دارد.موتورهای درون سوز)احتراق داخلی ) و موتور ه یا برونسوز)احتراق خارجی(. موتور ه یا درون سوز موتور هایی هستند که احتراق در آنها در داخل موتور و در یک محفظه احتراق انجام می گیرد و نیر یو الزم جهت راه اندازی موتور از انفجار یک سوخت در طی یک سیكل احتراقی در درون موتور تامین می گردد. درموتور ه یا برون سوز همانطور که از اسمشان پیداست فرآیند احتراق خارج از سازه موتور انجام میگیرد. مثال اگر یک ماشین بخار را در نظر بگیریم آب خارج از موتور توسط حرارت یک منبع

24 ییامرگ راخب هدیدرگ و سپس راخب یارب هار یزادنا روتوم هب راک.دوریم یاهروتوم گ یلرتسا ن زین زا عاونا یاهروتوم قارتحا یجراخ.دنتسه هوحن دركلمع یاهروتوم گ یلرتسا ن هب نیا بیترت تسا هک کی ل یس ا لماع دننامه میله نژوردیه...و هک ادعب رد هراب نآ تبحص مینكیم رد کی هخرچ هتسب نیب کی عبنم مرگ و کی عبنم درس راک ماجنا.دهدیم لكیس یكیمانیدومرت نیا عون روتوم نیرتكیدزن لكیس هب لكیس هدیا لآ ونراک یم دشاب. روتوم گ یلرتسا ن کی یترارحروتوم تسا هک فلاتخا یدایز اب یاهروتوم قارتحا یلخاد رد لیبموتا دراد هک رد لاس 8181 طسوت تربار گ یلرتسا ن عارتخا.دش روتوم گ یلرتسا ن تیلباق یهدزاب یرتشیب تبسن هب یاهروتوم ینیزنب و لی زید.دراد اما هزورما یاهروتوم گنلرتسا طقف رد یخرب دربراک ای ه صاخ دننام ریز اهییایرد ای یاهروتارنژ یكمک رد قیاق اه هک دركلمع یب ادص مهم تسا هدافتسا یم.دوش رگا هچ یاهروتوم گ یلرتسا ن هب دیلوت هوبنا دیسرن اما یخرب تاعارتخا تردقرپ اب نیا روتوم راک یم.دنک یاهروتوم گنیلرتسا زا هخرچ گنلرتسا هدافتسا یم دنک هک هباشم هخرچ ای ه هدافتسا هدش رد یاهروتوم قارتحا یلخاد.تسین زاگ هدافتسا هدش رد لخاد یاهروتوم گنلرتسا چیه تقو روتوم ار کرت یمن دنک و دننام یاهروتوم لزید و ینیزنب پاپوس دود هک یاهزاگ رپ راشف ار هیلخت یم دنک و هظفحم قارتحا دوجو درادن به. نیمه تلع یاهروتوم گنلرتسا رایسب یب ادص.دنتسه هخرچ گ یلرتسا ن زا کی عبنم یتارح یجراخ هک یم دناوت ره یزیچ زا نیزنب و یژرنا یدیشروخ ترارح ات یشان زا یگدیسوپ ناهایگ دشاب هدافتسا دنک و چیه یقارتحا یاهردنلیس لخاد روتوم خر یمن.دهد هدعاق یلصا راک روتوم گ یلرتسا ن نیا تسا هک یرادقم زاگ لخاد روتوم ظوفحم هدش تسا هخرچ. گ یلرتسا ن لماش کی یرس دادیور تسا هک راشف زاگ لخاد روتوم ار رییغت یم دهد و ببس داجیا راک یم دوش. دنچ تیصاخ مهم زاگ دوجو دراد هک یارب دركلمع یاهروتوم گنلرتسا مهم رگا.تسا یرادقم زاگ سوبحم رد کی مجح تباث زا اضف هتشاد دیشاب و امش هب نآ زاگ ترارح دیهدب, راشف زاگ شیازفا دهاوخ تفای. رگا یرادقم زاگ سوبحم هتشاد دیشاب و نآ ار هدرشف دینک مجح( نآ ار رد اضف شهاک دیهد ) یامد نآ زاگ شیازفا دهاوخ تفای. هزاجا دیهد هب ره مادک زا لحارم لكیس گ یلرتسا ن یماگنه هک هب روتوم هداس هدش گ یلرتسا ن هاگن یم مینک میورب. روتوم هداس هدش ام زا ود ردنلیس هدافتسا یم.دنک کی ردنلیس هب هلیسو ی کی عبنم یجراخ

25 گرما گرم می شود )مثل آتش( ودیگری به وسیله ی یک منبع سرد خارجی سرد می شود )مثل یخ (. محفظه گاز دو سیلندر به هم متصلند وپیستون ها به طور مكانیكی به وسیله ی یک اتصال که چگونگی حرکت انها را معین می کند به یكدیگر متصلند. 8- در فرآیند 8 به 2 پیستون سمت راست به طرف داخل حرکت می کند و گاز را متراکم می نماید. گرما از گاز به محیط با دمای T L داده می شود. بطوریكه ضمن افزایش فشار دمای گاز در T L ثابت می ماند. 2- در فرآیند 2 به 3 هر دو پیستون با سرعت یكسان به سمت چپ حرکت می کنند و حجم ثابت می ماند و گاز به داخل محفظه ی سمت چپ رانده می شود. دمای گاز هنگام عبور از بازیاب از T L به T H 3- در فرآیند 3 به 4 گرما از المنت حرارتی با دمای T H به گاز با دمای T L افزایش می یابد. داده می شود. وقتی گاز بصورت دما ثابت منبسط میشود پیستون سمت چپ به طرف بیرون حرکت میكند کار انجام می دهد و فشار گاز افت میكند. 4- در فرآیند 8 به 4 هر دو پیستون با سرعت یكسان به سمت راست حرکت می کنند حجم ثابت می ماند و گاز به داخل محفظه ی سمت راست رانده می شود. هنگام عبور گاز از بازیاب گاز به بازیاب گرما می دهد و T L به T H دمای گاز از T H کاهش می یابد. برای اینكه فرایند انتقال حرارت برگشت پذیر باشد اختالف دمای بین گاز و بازیاب نباید از مقدار دیفرانسیلی dt بیشتر شود.از این رو در این حالت دمای بازیاب درانتهای چپ برابر و در انتتهای سمت راست برابر T L است.مقدار انرژی ذخیره شده در بازیاب در فرایند 2-3 با فرایند 4-8

26 ی- برابر است. موتوراسترلینگ ف طق در طول مرحله اول روش دو این جا در میكند. تولید نیرو سیكل برای افزایش قدرت خروجی از سیكل استر لیتگ وجود دارد : افزایش قدرت خروجی در مرحله اول : در مرحله اول سیكل فشار گاز گرم پیستونی که کار انجام می دهد را می راند افزایش فشار در طول این قسمت از سیكل قدرت خروجی موتور را افزایش می دهد. یک راه افزایش فشار افزایش دمای گاز است. هنگامی که ما بعدا به دو پیستون موتور استرلنگ در این مقاله نگاه کنیم خواهیم دید که چگونه یک وسیله که ریجناتور نامیده می شود قدرت خروجی موتور را به وسیله ی حرارت ذخیره شده- لحظه ای بهبود می بخشد. کاهش قدرت استفاده شده در مرحله 3 :در مرحله سوم سیكل پیستون ر یو گاز کار انجام می دهد و از قسمتی ازکار ایجاد شده در مرحله اول استفاده می کند. کاهش فشار در طول این مرحله از سیكل می تواند قدرت کاهش استفاده فشار شده سرد در کردن این گاز مرحله در را دمای مقداری با سیكل ایده آل اختالف دارد. کاهش پای نی دهد تر )و است. به کار موثر طور واقعی قدرت به موتور خروجی دلیل می افزایش محدودیتهای (. یابد طراحی راه یک فیزیكی در قسمت های قبلی به تفصیل مطالب برای تئوری بیان شد. است که دارای دو پیستون میباشد. دستگاه این آزمایش مربوط به موتور استرلینگی در سیكل های اوتو و دیزل انتقال حرارت در دمای ثابت انجام نمی گیرد. بنابراین این سیكل ها برگشت پذیر

27 نیستند. در نتیجه راندمان سیكل اتو یا دیزل کمتر از راندمان سیكل کارنویی می باشدکه بین همین دو دما کار می کند اما در سیكل استرلینگ انتقال حرارت در دماهای T H و T L انجام می گیرد. تفاوت آن با سیكل کارنو این است که در سیكل استرلینگ دو فرایند باز یابی در حجم ثابت جایگزین دو فرآیند آیزنتروپیک سیكل کارنو می شود. سیكل استرلینگ از یک سیلندر با دو پیستون در طرفین و یک بازیاب در وسط تشكیل شده است. بازیاب وسیله ای است که انرژی را در قسمتی از سیكل به سیال عامل می دهد و در قسمت دیگر آنرا پس می گیرد. بازیاب می تواند یک سیم یا یک جسم متخلخل با ضریب گرمایی زیاد باشد که برای ذخیره وقت انرژی به کار می رود. این دستگاه بر اساس سیكلی نزدیک به سیكل استرلینگ عمل می کند. موتور دارای یک سیلندر اولیه است که در آن کار انجام می گیرد و پیستون آن تحت کنترل میل لنگ عمودی و میله های رابط می باشد همچنین دارای یک سیلندر ثانویه نیز می باشد که در آن پیستون )بازیاب( تحت کنترل یک خروج از مرکز که روی میل لنگ انجام می شود می باشد. این دو سیلندر به یكدیگر راه دارند پیستون بازیاب نسبت به پیستون سیلندر اصلی 09 درجه اختالف فاز دارد بنابراین سرعت آن زمانی که سرعت پیستون اصلی حداقل است حداکثر می باشد. از آنجایی که این موتور دارای یک سیلندر کار می باشد چرخ طیار )Flywheel( آن سنگین ساخته شده است ولی در سرعتهای کم هم می تواند کار بكند. حرارت توسط یک المنت ولتاژ کم که در انتهای سیلندر ثانویه قرار دارد تامین می شود. برای سرد کردن هوا تا درجه حرارت محیط منتقل می شود ( هدایت حرارتی (. T 1 گرما از طریق جداره های اصلی به سیستم پیستون ها حالت کلی دستگاه

28 المان حرارتی مورد استفاده برای منابعی با ولتاژی کم در نظر گرفته شده است. برای راه اندازی موتور ابتدا منبع قدرت را به موتور وصل کرده و جریان را روی 7 آمپر تنظیم کنید مشاهده می شود که المان حرارتی قرمز می شود بعد از حدود 2 دقیقه چرخ طیار را در جهت عقربه های ساعت بگردانید موتور باید به حرکت خود ادامه دهد. قدرت خروجی و در نتیجه بازده موتور را در سرعتهای مختلف و قدرت های ورودی مختلف می توان محاسبه کرد. این آزمایش را با گذاشتن وزنه های متعدد در 4 دور متفاوت انجام دهید. توجه : مطمئن شوید که برآمدگی میل لنگ آغشته به گرد و خاک و چربی نباشد و نوار اصطكاکی نیز به سمت بر آمدگی باشد. : V ولتاژ دو سر المنت ( ولت ) : P 1 = VI = R. I 2 قدرت ورودی : I جریان در المنت )آمپر( P 2 = 2π.N.T یا : P 2 = T.W قدرت خروجی : R = 3.5 Ω مقاومت المنت : R = 19 mm شعاع برآمدگی چرخ طیار : T = F R گشتاور : دور/ ثانیه N = (R.P.S) : ω = 2π/60 N سرعت زاویه ای : F = µ K N نیروی اصطكاک

29 100 1 : y% = P 2 /P راندمان (N-M) : T = گشتاور : g = 9.81m/s 2 شتاب جاذبه داده ها را در جدول زیر برای 4 آزمایش پیاپی ثبت نمایید. زمان تعداد دور عدد نیرو سنج وزن وزنه ها gr gr R.P.S s حال با استفاده از روابط گفته شده در بخش آشنایی با پارامتر ها جدول نهایی زیر را تكمیل نمایید. جریان راندمان توان توان سرعت گشتاور نیروی پارامتر وزن عدد تعداد در المنت خروجی ورودی زاویه ای اصطكاک دور نیروسنج ها وزنه ها - نماد - N F T ω P 1 P 2 Y% I gr واحد gr R.P.S N N-m Rad/Sec watts watts watts Aper

30 8- نقش بازیاب را توضیح دهید 2- علت تغییرات زمان رفت و برگشتی را توضیح دهید 3- منحنی های مورد نیاز را برای این آزمایش رسم کنید 4- چرا برامدگی میل لنگ نباید به چربی و گردوخاک آغشته باشد 5- درباره نتایج بدست آمده و راندمان دستگاه بحث کنید

31 بررسی یک سیستم تهویه مطبوع و آشنایی با پارامتر های تاثیر گذار بر روی آن. مروری بر دانسته های درس ترمودینامیک هوا در اتمسفر معموال حاوی مقداری بخار آب است و آنرا هوای اتمسفریک می گویند. در مقابل هوایی را که فاقد بخار آب است هوای خشک می گویند. در گستره دما های که در تهویه مطبوع با آن مواجه می شویم هوای خشک و بخار آب را به عنوان گاز ایده آل می توان در نظر گرفت. تغییر آنتالپی هوای خشک را در طی هر فرایند از رابطه ی زیر می توان تقریب زد [ ] ( ) هوای اتمسفریک را به صورتی مخلوطی از گاز های ایده آل می توان فرض کرد که فشار آن با مجموع فشار پاره ای هوای خشک P a وفشار پاره ای بخار آب P V برابر است ( ) در گستره دمای 01- درجه سانتیگراد تا 01 درجه سانتیگراد ( 00 تا 01 درجه ی فارنهایت( آنتالپی بخار آب موجو در هوا را با آنتالپی بخار اشباع در همان دما می توان برابر دانست برحسب ) ( ) ( ) کم ( برحسب ) ( جرم بخار آب موجود در جرم واحد هوای خشک را رطوبت مخصوص یا مطلق ω می گویند کیلو گرم آب ( ) کیلو گرم هوای خشک

32 که در آن P فشار کلی هوا و P V فشار بخار است. هوا در یک دمای مشخص مقدار معینی بخار آب را می تواند بپذیرد. هوایی را که دارای حداکثر رطوبت ممکن است هوای اشباع می گویند. نسبت مقدار رطوبت هوا ( به ماکزیمم مقدار رطوبتی را که هوا در همان دما می تواند دارا باشد ( ) m v ) رطوبت نسبی ϕ m g می گویند φ P g که در آن P= sat@t رطوبت نسبی و رطوبت مخصوص را بصورت زیر نیز می توان بیان کرد φ ( ) φ φ رطوبت نسبی از صفر ( برای هوای خشک( تا 0 )برای هوای اشباع( است. دمای معمولی هوای اتمسفریک را دمای حباب خشک می گویند تا از سایر دما ها تشخیص داده شود. اگر هوا در فشار ثابت سرد شود دمایی را که در آن چگالش شروع می شود دمای نقطه ی شبنم می گویند: T dp T dp =T sat@pv رطوبت نسبی و رطوبت مخصوص هوا را با اندازه گیری دمای اشباع آدیاباتیک هوا می توان تعیین کرد و آن دمایی است که هوا پس از عبور از روی آب در یک کانال طویل و رسیدن به حالت اشباع دارا می باشد ( ) که در آن T 2 و دمای اشباع آدیاباتیک است.

33 در روش عملی تر در تهویه مطبوع از دما سنجی استفاده می شود که مخزن آن توسط فتیله ی پنبه ای اشباع شده از آب پوشیده است و هوا روی فتیله جریان دارد. دمایی که به این طریق اندازه گیری می شود را دمای حباب خیس Wb T می گویند و به جای دمای اشباع آدیاباتیک به کار می رود. خواص هوای اتمسفریک در یک فشار کلی معین درنمودار هایی به نام نمودار های رطوبت سنجی آورده شده ند و به سهولت قابل خواندن هستند. P V حالت هوای اتمسفریک در یک فشار معین توسط دو خاصیت شدتی مستقل بطور کامل توصیف می شود. سایر خواص از رابطه های باال به سهولت محاسبه می شوند. در تعیین اندازه دستگاه تهویه مطبوع مقدار محاسبات آنقدر زیاد است که حوصله صبورترین مهندسان را سر می آورد. بنابراین بدیهی است که یکبار این محاسبات انجام شوند و به صورت نمودارهایی که به سهولت قابل خواندن باشند در آورده شوند. این نمودار ها را نمودارهای رطوبت سنجی می گویند و در کاربردهای تهویه مطبوع خیلی از آنها استفاده می شود. نمودار رطوبت سنجی برای فشار Psi ( 1atm یا ) kPa دردسترس است. نمودارهای رطوبت سنجی در سایر فشار ها نیز موجود هستند ( که در ارتفاعات خیلی زیاد از سطح دریا به کار میروند(. شکل کلی نمودار رطوبت سنجی به شکل زیر است. دمای حباب خشک روی محور افقی و رطوبت مخصوص روی محور عمودی مشخص شده است. )یعنی نودارها فشار بخار را نیز روی محور عمودی نشان می دهند زیرا همانطور که معادله رطوبت مخصوص نشان می دهد در فشار کلی ثابت P بین رطوبت مخصوصω و فشار بخار تناظر یک به یک برقرار است(. در سمت چپ نمودار به جای خط راست خط خمیده ای )به نام خط اشباع(

34 داریم. تمام حالت های هوای اشباع روی این منحنی قرار دارند. بنابراین این منحنی برای رطوبت نسبی %011 نیز می باشد. سایر منحنی های متناظر با رطوبت نسبی ثابت دارای شکل کلی یکسانند. خطوط دمای حباب خیس ثابت دارای ظاهر شیب دار به سمت راست هستند. خطوط حجم مخصوص ثابت )برحسب کیلوگرم هوای خشک/ ) m 3 نیز دارای ظاهر مشابه اند با این تفاوت که شیب آنها بیشتر است. خطوط آنتالپی ثابت )کیلوگرم هوای خشک/ ) KJ با خطوط دمای حباب خیس ثابت تقریبا موازی اند بنابراین در بعضی از نمودار ها از خطوط دمای حباب خیس ثابت به عنوان خطوط آنتلپی ثابت استفاده می شود. برای هوای اشباع دمای حباب خشک حباب خیس و نقطه ی شبنم یکسانند بنابراین برای تعیین دمای نقطه ی شبنم هوای اتمسفریک در هر نقطه نمودار کافی است یک خط افقی )خط ω ثابت یا خط P V ثابت ) از آن نقطه رسم شود تا منحنی اشباع را قطع کند. مقدار دما در نقطه ی تقاطع دمای نقطه ی شبنم است. نمودار رطوبت سنجی وسییله با ارزشی برای تحلیل فرایندهای تهویه مطبوع نیز می باشد. مثال فرایند های معمولی گرمایشی یا سرمایشی به شکل خط افقی در این نمودار ظاهر می شوند به شرطیکه هیچ گونه رطوبت

35 زنی یا رطوبت گیری وجود نداشته باشد )یعنی ω ثابت (. هر انحرافی از خط افقی نشان می دهد که در فرآیند به هوا گرما داده شده است یا از آن گرما گرفته شده است. حفظ فضای زندگی یا محیط صنعتی در دما و رطوبت دلخواه احتیاج به فرایندهایی به نام تهویه مطبوع دارد. این فرایند ها شامل گرمایش ساده )افزایش دما( سرمایش ساده )کاهش دما( رطوبت زنی )افزایش رطوبت( ورطوبت گیری )کاهش رطوبت( هستند. برای حفظ هوا دردما و رطوبت دلخواه گاهی اوقات دو یا تعداد بیشتری از این فرایند ها مورد نیازند. در نمودار رطوبت سنجی فرایند های مختلف تهویه مطبوع نشان داده شده اند. توجه کنید که فرایند های گرمایش و سرمایش ساده در این نمودار به صورت خطوط افقی اند زیرا رطوبت هوا در این فرایند ها ثابت است )ω ثابت (. معموال هوا را در زمستان گرم و مرطوب و در تابستان سرد و رطوبت گیری میکنند. توجه کنید که این فرایند ها در نمودار رطوبت سنجی به چه صورتی ظاهر می شوند.

36 اکنون فرآیند هایی را که در کانال تهویه مطبوع دراین آزمایش با آن مواجه خواهیم شد بررسی می کنیم: الف( گرمایش و سرمایش ساده )ω ثابت ) بسیاری از وسایل گرمایش ساختمان های مسکونی از بخاری پمپ گرما یا گرمکن مقاومت الکتریکی تشکیل شده است. در این وسایل هوا با گردش در مجرایی که از آن لوله های حامل گاز داغ یا المنت های الکتریکی می گذردگرم می شود. مقدار رطوبت در این فرایند ثابت می ماند زیرا هیچ رطوبتی به هوا داده نمی شود یا از آن گرفته نمی شود. یعنی رطوبت مخصوص هوا در فرایند گرمایش )یا سرمایش( فاقد رطوبت زنی یا رطوبت گیری ثابت می ماند) ω ثابت (. این فرایند گرمایش در جهت افزایش دمای حباب خشک پیش می رود و از خط رطوبت مخصوص- ثابت در نمودار رطوبت سنجی که بصورت خط افقی است پیروی می کند. توجه کنید که رطوبت نسبی هوا در فرایند گرمایش کاهش می یابد حتی حتی اگر رطوبت مخصوص ω ثابت بماند زیرا رطوبت نسبی نسبت رطوبت موجود در هوا به ظرفیت رطوبت هوا در همان دماست و ظرفیت رطوبت بر حسب دما افزایش می یابد. بنابراین رطوبت نسبی هوای گرم ممکن است خیلی کمتر از سطح آسایش باشد پوست را خشک کند مشکالت تنفسی بوجود آورد و الکتریسیته ی ساکن را افزایش دهد. فرایند سرمایش در رطوبت مخصوص ثابت با فرایند گرمایش توصیف شده در باال مشابه است با این تفائت که در این فرایند دمای حباب خشک کاهش می یابد و رطوبت نسبی افزایش می یابد. سرمایش را با عبور از روی کویل هایی که در انها مبرد یا آب سرد جریان دارد می توان انجام داد. ب( گرمایش با رطوبت زنی مشکالت مربوط به رطوبت نسبی کم که از گرمایش ساده ناشی می شود را با رطوبت زنی هوای گرم شده می توان از بین برد. برای انجام این کار هوا ابتدا در مجرای گرمکن ( فرایند 0-0 ) و سپس از مجرای رطوبت زن )فرآیند 3-0 ) عبور داده می شود.

37 حالت 3 بستگی به نحوه ی رطوبت زنی دارد. اگر بخار آب از مجرای رطوبت زن وارد شود رطوبت باعث افزایش بیشتر دمای هوا می شود ( 2 (. T 3 > T ولی اگر رطوبت زنی با پاشیدن آب به داخل جریان هوا انجام شود قسمتی از گرمای نهان تبخیر از هوا گرفته می شود و دمای هوای گرم شده کاهش می یابد ( 2 T(. 3 < T در این حالت هوا در مجرای گرمکن باید تا دمای باالتر گرم شود تا خنک شده آن در فرایند رطوبت زنی جبران شود. دستگاه کانال تهویه شامل یک کانال شیشه ای است که در ابتدای آن یک عدد فن تعبیه شده است و در انتهای آن یک عدد المنت حرارتی نصب شده است. این کانال بصورت گرمایش ساده و بصورت رطوبت زنی ساخته شده است بگونه ای که هنگامی فن روشن است در قالب یک دستگاه گرمایشی ساده قابل اجراست ولی اگر رطوبت هوا نیز مهم باشد این رطوبت توسط یک دستگاه ایجاد رطوبت تامین می شود به گونه ای که بخار آب را به کانال تزریق می کند. در جلوی فن و در انتهای دستگاه دو عدد دماسنج وجود دارد ودر کنار آنها یک عدد فتیله در آب نیز موجود است که یکی از دما سنج ها دمای حباب خشک و دیگری دمای حباب مرطوب )فتیله داخل آب( را اندازه گیری می کند)توجه کنید که یکی از دو دماسنج ابتدایی و انتهایی داخل آبی است که فتیله در آن قرار دارد(. با داشتن دماها در ابتدا و انتها می توان به خواسته های مورد نیاز دست یافت. 0- ابتدا المنت حرارتی را روشن کنید تا قرمز شود. 0- سپس فن دستگاه را روشن نمایید. 3- منتظر بمانید تا دماسنج ها به حالت پایدار برسند. 4- سپس دماهای دو عدد دماسنج ابتدایی و دو عدد دماسنج انتهایی را یادداشت نمایید.

38 0- دستگاه را در همان حالت آزمایش اول نگاه دارید. 0- سپس دستگاه رطوبت زن را روشن نمایید. 3- منتظر بمانید تا دما سنج ها به حالت پایدار برسند. 4- سپس دماهای دو عدد دماسنج ابتدایی و دو عدد دماسنج انتهایی را یادداشت نمایید. رطوبت نسبی و رطوبت مطلق را یکبار با استفاده از چارت سایکرومتریک و یکبار بدون استفاده از چارت سایکرومتریک بدست آورید. دمای نقطه ی شبنم را در آزمایش دوم بدست آورید یک نمونه مثال حل شده جهت آشنایی با محاسبات فرض کنید هوا وارد یک کانال می شود که در وسط آن یک ظرف آب وجود دارد. با توجه به مفروضات زیر رطوبت نسبی و مطلق را بدست آورید. =?( 1.) T 1 =30 O C, T 2 =20 O C, P 1 =100KPa, ϕ 2 =100%, ϕ ( )