نمودار آنتالپی فشار به زبان ساده

        دانش ترمودینامیک و محاسبات ترمودینامیکی از اصول سیستم های تبرید هستند. یکی از اصول اولیه تحلیل و طراحی سامانه های تبرید، نمودار آنتالپی دما یا نمودار p-h است. در این مقاله سعی کرده ایم به صورت خیلی ساده با نمودار p-h آشنا شویم. منبع اصلی این مقاله، کتابچه مبانی سیکل تبرید از کمپانی Trane است.

نمودار آنتالپی فشار

        یک نمودار آنتالپی فشار از بخش های مختلفی تشکیل شده است. هر کدام از بخش های نمودار آنتالی فشار مشخصات مختلفی را نمایش می‌دهند. در خطوط افقی نمودار p-h، مشخصات فشار مبرد نشان داده شده است. همانطور که از نام این نمودار پیداست، آنتالپی نیز دومین قسمت مهم نمودار آنتالپی فشار است. خطوط عمودی نمودار آنتالپی فشار، آنتالپی را نشان می‌دهند. همچنین خطوط دما ثابت را در این نمودار مشاهده می‌کنید.

        در نمودار یک منحنی دیده می‌شود. منحنی نمودار p-h، خط اشباع مبرد است. در حقیقت مبرد در شرایط داخل منحنی، در حالت اشباع قرار دارد. سمت راست منحنی، مبرد در حالت گاز و در سمت چپ منحنی، مبرد حالت مایع دارد.

        همانطور که گفتیم اگر آنتالپی مبرد، درون منحنی قرار بگیرد، مبرد در شرایط اشباع قرار دارد. به عبارتی در این حالت مبرد ترکیبی از بخار و مایع است. اگر آنتالپی مبرد، در سمت راست منحنی قرار گرفته باشد، مبرد در حالت بخار سوپرهیت (superheat) است. همچنین در صورتی که آنتالپی مبرد در سمت چپ منحنی باشد، مبرد در حالت مایع سابکولد (subcooled) است.

برای قابل فهم تر شدن این موضوع، بیایید نگاهی به فرایند گرم شدن و جوشیدن آب بیندازیم. با تحلیل نمودار زیر فرایند جوشیدن آب در فشار ثابت را روی نمودار آنتالپی فشار بررسی می‌کنیم.

        در فشار ثابت اتمسفر یا 14.7psi، آب در دمای 100 درجه سانتی گراد می‌جوشد. در نقطه A دمای آب 82.2 درجه سانتی گراد است. همانطور که گرما به آب می‌دهیم دما و آنتالپی آب افزایش می‌یابد. افزایش دما و آنتالپی تا نقطه B ادامه پیدا می‌کند. وقتی آب به شرایط اشباع در نقطه B می رسد، شروع به جوشیدن می‌کند. با جوشیدن آب در دمای 100 درجه سانتی گراد، آب کم کم تبدیل به بخار می‌شود. همانطور که گرمای بیشتری به آب اضافه می‌کنیم، جوشیدن آب در دمای ثابت ادامه پیدا می‌کند. هر چه شرایط ترمودینامیکی آب، به نقطه C نزدیک تر می‌شود، مقدار بخار آب هم افزایش پیدا می‌کند.

        وقتی که آب به نقطه C رسید، کاملا به بخار تبدیل شده است. اکنون گرمای بیشتری به بخار آب می‌دهیم. دمای بخار، بعد از عبور از مرز منحنی اشباع، شروع به افزایش می‌کند. تا حدی که در نقطه D به دمای 115.6 درجه سانتی گراد برسد.

        فاصله بین لبه منحنی نشان دهنده کیفیت گرمای لازم برای تبدیل مایع اشباع به بخار اشباع در فشار ثابت است. این فاصله، گرمای نهان تبخیر نامیده می‌شود.

        برای مثال نقطه B نشان دهنده آنتالپی مایع اشباع آب در فشار 14.7psi است. همچنین نقطه ی C نشان دهنده آنتالپی بخار آب اشباع در فشار مشابه است. اختلاف آنتالپی بین این دو نقطه 2256.3kJ/kg است. این آنتالپی، میزان گرمای نهان تبخیر آب در این فشار است.

اواپراتور در نمودار آنتالپی فشار

        نمودار آنتالپی فشار می‌تواند برای آنالیز سیکل تبرید استفاده شود. با استفاده از این نمودار می‌توان شرایط مبرد را در هر نقطه از سیکل آنالیز کرد. نمودار نمونه در این مطلب برای گاز R22 تحلیل می‌شود.

        چون سیکل تبرید یک چرخه مداوم است، توضیح سیکل از هر نقطه ای می‌تواند شروع شود. این مثال در نقطه A، جایی که مبرد به اواپراتور وارد می‌شود، شروع می‌گردد.

        در ورودی اواپراتور، مبرد در فشار 85psi و دمای 5.1 درجه سانتی گراد است. مبرد در این نقطه مخلوطی از بخار و مایع ( بیشتر مایع) است. این مبرد فشار و دما پایین، در نقطه A مبرد وارد اواپراتور می‌شود. در اواپراتور گرما را از هوای نسبتا گرم و یا آب چیلد گرفته و آب یا هوا را خنک می‌کند. این انتقال حرارت مبرد مایع را در اواپراتور می‌جوشاند. و مبرد سوپرهیت شده همانطور که نشان داده شده به نقطه C می‌رسد.

        تغییر آنتالپی از A به C در اواپراتور، اثر تبرید نامیده می‌شود. اثر تبرید، مقدار گرمایی است که هر کیلوگرم مایع مبرد در اواپراتور جذب می‌کند.

کمپرسور در نمودار آنتالپی فشار

        کمپرسور ها برای متراکم کردن بخار طراحی شده اند. مایع مبرد در صورت ورود به کمپرسور می‌تواند باعث آسیب کمپرسور شود. در برخی از سیستم هیا تبرید، یک گرمای اضافی به بخار اشباع در نقطه B اضافه می‌شود. این گرمای اضافی در اواپراتور به مبرد افزوده شده تا مطمئن شوی مایع مبردی در ورودی کمپرسور وجود ندارد. همانطور که مطالعه کردیم، این مقدار گرمای اضافی، سوپرهیت نامیده می‌شود. بخار سوپرهیت شده ورودی کمپرسور در نقطه C معمولا بین 4.4 درجه سانتی گراد تا 6.7 درجه سانتی گراد بالای شرایط بخار اشباع دما دارد. در این مثال، بخار مبرد به میزان 5.6 درجه سانتی گراد سوپرهیت شده است. همانطور که می‌بینید در حالت اشباع، دمای مبرد 5.1 درجه سانتی گراد است. با گرم تر شدن بخار مبرد، از احتمال ورود مایع مبرد به کمپرسور و آسیب به کمپرسور، جلوگیری می‌شود.

        کمپرسور در بخش سوپرهیت نمودار آنتالپی فشار نشان داده شده است. همانطور که می‌بینید کمپرسور گاز مبرد سوپرهیت شده را در نقطه C مکش کرده و متراکم می‌کند. تراکم گاز مبرد تا دما و فشار نشان داده شده در نقطه D افزایش می‌یابد. تراکم مبرد در سیکل تبرید باید به میزانی که برای پس دادن حرارت به سیال دیگر (در کندانسور) نیاز است، ادامه یابد. همانطور که حجم مبرد توسط کمپرسور کاهش پیدا می‌کند، فشار مبرد در کمپرسور افزایش یدا می‌کند. علاوه بر این انرژی مکانیکی استفاده شده توسط کمپرسور، به انرژی حرارتی تبدیل می‌شود. این موارد دلایل افزایش دمای مبرد در هنگام تراکم می‌باشند.

        وقتی که بخار مبرد از کمپرسور خارج می‌شود، دمای آن به طور قابل ملاحظه ای بالاتر از دمای اشباع آن است. افزایش آنتالپی در نقطه C تا نقطه D به علت گرمای افزوده شده به مبرد توسط کمپرسور است.

        در این مثال، مبرد، کمپرسور را در فشار 280psi و دمای 88.6 درجه سانتی گراد ترک می‌کند. درفشار خروجی کمپرسور، دمای اشباع معادل، 49.7 درجه سانتی گراد است. بخار مبرد خروجی از کمپرسور، در دمای 38.9 درجه سانتی گراد بالاتر از دمای اشباع، کمپرسور را ترک می‌کند.

        همانطور که می‌دانیم این بخار مبرد دما بالا فشار بالا، به سمت کندانسور حرکت می‌کند.

کندانسور در نمودار آنتالپی فشار

        در کندانسور، گرما از گاز دما بالا، فشار بالا، به یک سیال خنک تر، انتقال می‌یابد. این سیال، در چیلر های آب خنک، آب بوده و در چیلر هواخنک، همانطور که از نامشان پیداست. هوا است. این کاهش آنتالپی گاز مبرد در کندانسور، باعث از دست دادن سوپرهیت (دی سوپرهیت) می‌شود. در کندانسور، گاز مبرد تقطیر می‌شود. در حقیقت دیسوپرهیت شدن مبرد، بخار اشباع مبرد را به مایع اشباع تبدیل می‌کند. بعد از تقطیر مبرد در کندانسور، مبرد در نقطه G سابکول می‌شود.

        حالا روی نمودار آنتالپی فشار، عمل کندانسور را بررسی می‌کنیم. در ابتدا آنتالپی بخار مبرد از نقطه D تا E کاهش می‌یابد. یعنی در این فاصله گاز مبرد سوپرهیت شده، گرمای خود را تا نقطه اشباع در دمای 49.7 درجه سانتی گراد از دست می‌دهد. بعد از آن همانطور که گرمای اضافی توسط کندانسور به محیط دفع می‌شود، گاز مبرد شروع به تقطیر می‌کند. تقطیر مبرد از نقطه ی E تا نقطه F در شرایط مایع اشباع ادامه پیدا می‌کند. این مایع اشباع مبرد، اکنون از محدوده ای از کندانسور به نام سابکولر عبور می‌کند. همانطور که از نام این بخش پیداست، در اینجا مایع مبرد از نقطه F تا نقطه G سرد می‌شود ( آنتالپی کاهش می‌یابد). در این مثال آنتالپی تا 43.3 درجه سانتی گراد اهش می‌یابد. چون دمای اشباع در فشار کندانسور 49.7 درجه سانتی گراد است، مبرد سابکولد شده است. میزان دمای سابکولدر مبرد در این مثال 6.4 درجه سانتی گراد است.

        با این مقدار دمای مبرد در کندانسور، هوای محیط معمولی می‌تواند برای جذب گرما از مبرد در کندانسور به کار برود. از خروجی کندانسور، مایع مبرد سابکولد شده در نقطه G به سمت ورودی شیر انبساط یا اکسپنشن ولو حرکت می‌کند.

شیر انبساط در نمودار آنتالپی فشار

        مقصود اولیه استفاده از شیر انبساط، کاهش فشار مایع مبرد، تا فشار اواپراتور است. در فشار پایین تر، اکنون مبرد درون محدوده اشباع قرار می‌گیرد.

        مبرد فشار بالا در نقطه G از طریق شیر انبساط که موجب افت فشار شدیدی می‌شود، عبور میکند. افت فشار، فشار مابع مبرد را کاهش داده و دمای مبرد را تا دمای اواپراتور کاهش می‌دهد (A). در فشار پایین تر، دمای مبرد، بالاتر از دمای تبخیر مبرد در آن فشار است. این موجب جوشیدن مبرد می‌شود. چون برای جوشش این مقدار کم مبرد گرما نیاز است، مبرد در حال جوشیدن در اواپراتور گرما را از مایع مبرد باقی مانده می‌گیرد. با این کار، گاز مبرد را تا دمای اواپراتور خنک می‌کند. باید توجه داشت که در طول فرایند صورت گرفته در شیر انبساط، تغییرات آنتالپی وجود ندارد.

        هدف سابکولینگ مایع مبرد در کندانسور، جلوگیری از جوشش مبرد قبل از شیر انبساط است.

        دمای مبرد وارد شده در شیر انبساط در نقطه G، معادل 43.3 درجه سانتی گراد است. فشار مبرد نیز در این نقطه 280psi است. همچنین آنتالپی مبرد در این شرایط معادل 98.6psi است. همانطور که قبلا اشاره شد، تغییرات آنتالپی در طول فرایند شیر انبساط وجود ندارد.

        مبرد شیر انبساط را در نقطه A در شرایط اواپراتور، ترک می‌کند. در این نقطه، فشار 85psi و دما 5.1 درجه سانتی گراد است. در این فشار، آنتالپی مایع اشباع 50.7kJ/kg و آنتالپی بخار اشباع، 251.7kJ/kg است. چون تغییراتی در آنتالپی در طول فرایند شیر انبساط نداریم، مخلوط مایع و بخار مبرد خارج شده از شیر انبساط باید آنتالپی یکسانی داشته باشند. این عمل در صورتی که 76.2 درصد مبرد، مایع بوده و 23.8 درصد آن بخار باشد، اتفاق می‌افتد. محاسبه این درصد به صورت زیر انجام می‌شود:

        این مخلوط سرد مایع و بخار مبرد از شیر انبساط خارج می‌شود. بعد از ورود مبرد به اواپراتور، سیکل تبرید ادامه می‌یابد.

نمودار سیکل تبرید تراکمی

        بعد از مرور تک تک اجزا و تحلیل هر یک در نمودار آنتالپی فشار سیکل تبرید تراکمی؛ اکنون با هم به مرور کلی نمودار سیکل تبرید تراکمی می‌پردازیم.