محاسبه سوپرهیت و محاسبه سابکول در سیکل تبرید

سوپرهیت چیست؟

ماده به صورت طبیعی در سه فاز جامد، مایع و گاز یافت می شود. در برخی از دماها و فشارها، دو فاز از این ماده می توانند در کنار هم وجود داشته باشند. به طور مثال، آب و بخار آن همیشه در طبیعت وجود دارد که به این حالت، سیال دو فازی گفته می شود.

اگر در یک سیستم، یک سیال را آن قدر حرارت دهیم که به صورت کامل بخار شود، در لحظه ی تکمیل فرایند تبخیر به آن بخار اشباع (Saturated Vapor) گفته می شود. چنان چه پس از این نقطه به آن سیال گرما دهیم، به بخار فوق گرم یا به اصطلاح سوپرهیت (Superheat) تبدیل خواهد شد. البته این اصطلاح در سیکل های تبرید معنای خاص تری دارد که در ادامه بررسی می کنیم.

ممکن است واژه ی سوپرهیت را که اغلب توسط تکنسین ها به کار می رود، شنیده باشید. سوپرهیت یک کمیت مربوط به انتقال حرارت است که به معنی اختلاف دما بین دو نقطه است. در چرخه های تبرید و چیلرها، این کمیت به صورت اختلاف دمای واقعی مبرد بخار و دمای مبرد اشباع در خروجی اواپراتور بیان می شود.

چرا در سیکل تبرید، مبرد سوپرهیت می شود؟

در یک چیلر، سوپرهیت کردن مبرد در خروجی اواپراتور اهمیت فراوانی دارد. همان طور که در شکل زیر مشاهده می کنید، سیال ورودی به اواپراتور، دو فازی است و این سیال رفته رفته در طول اواپراتور تبخیر شده و به بخار تبدیل می شود. پس از اواپراتور، کمپرسور قرار دارد که تنها می تواند بخار را فشرده کند و به هیچ وجه نباید مایعی به داخل آن وارد شود. برای مطالعه در مورد کارکرد کمپرسور مقاله کمپرسور چیست؟ آشنایی با انواع کمپرسور چیلر را بخوانید.

چنانچه بخار ورودی به کمپرسور سوپرهیت نباشد، با دفع کمترین مقدار گرما به مایع تبدیل می شود و به خصوص در کمپرسورهای جابجایی مثبت مانند کمپرسورهای پیستونی، مشکلات زیادی مانند خرابی قطعات کمپرسور به وجود می آید. بنابراین سوپرهیت کردن مبرد یکی از فرایندهای ضروری چرخه های تبرید است که بدون استثناء در تمامی چیلرهای تراکمی انجام می شود. علاوه بر ضرورت سوپرهیت کردن برای سازگاری با کمپرسور، هر ده درجه سوپرهیت کردن مبرد، یک تا سه درصد ظرفیت کمپرسور را افزایش می‌دهد.

محاسبه سوپرهیت در اواپراتور

سوپرهیت اواپراتور در نقطه ی بخار اشباع 100 درصد، شروع و در خروجی اواپراتور پایان می یابد. نقطه ی بخار اشباع 100 درصد همان نقطه ای است که تمام مبرد مایع به دلیل جذب گرما تبخیر شده است. می توان با داشتن فشار نقطه ی اشباع، دمای آن را از جداول ترمودینامیکی به دست آورد.

حسگر دمای شیر انبساط در خروجی اواپراتور قرار گرفته است. دمای مبرد در خروجی اواپراتور نیز توسط تکنسین ها با استفاده از یک ترموکوپل یا هر نوع سنسور دما در این نقطه اندازه گیری می شود. دمای به دست آمده در این نقطه همان دمای بخار است.

بیشتر بخوانید: علت یخ زدگی اواپراتور چیست و آموزش رفع آن

به غیر از این دما، می توان دمای دیگری نیز با استفاده از فشار در این نقطه به دست آورد. چنانچه فشار این نقطه را از روی گیج خوانده و از روی جداول ترمودینامیکی، دمای اشباع مربوط به بخار را بخوانیم، دمای اشباع بخار در خروجی اواپراتور را به دست آورده ایم. اکنون می توانیم سوپرهیت را به راحتی با کسر دمای اشباع خوانده شده از جدول از دمای خوانده شده از ترموکوپل، به دست آوریم.

به طور مثال، فرض کنید در یک چیلر، مبرد R-134a استفاده شده و دمای خروجی از اواپراتور را با استفاده از حسگر دما، -1 درجه ی سلسیوس خوانده ایم. اگر فشار این نقطه 200 کیلوپاسکال باشد، می خواهیم کمیت سوپرهیت را محاسبه کنیم. ابتدا با استفاده از جدول ترمودینامیکی زیر که برای تمام مبردها موجود است، دمای اشباع را در فشار مربوط می خوانیم که حدود -10 درجه ی سلسیوس است.

اکنون کافی است که اخلاف دمای خوانده شده و محاسبه شده را به دست آوریم که سوپرهیت برای این مثال برابر 9 درجه ی سلسیوس است. به عبارت دیگر در این چیلر، بخار مبرد به اندازه ی 9 درجه پس از تبدیل شدن به بخار اشباع، حرارت داده شده است.

سوپرهیت کل

در محاسبه ی این کمیت، تمام قسمت کم فشار چرخه ی تبرید را در نظر می گیریم و این کمیت از نقطه ی بخار اشباع 100 درصد در اواپراتور شروع شده و در ورودی کمپرسور پایان می یابد. به دلیل محل محاسبه ی این کمیت، به آن سوپرهیت کمپرسور نیز گفته می شود و شامل سوپرهیت اواپراتور و سوپرهیت خط مکش کمپرسور است.

برای محاسبه ی این کمیت، دما در ورودی کمپرسور خوانده می شود. همچنین در همین نقطه نیز فشار خوانده می شود و اختلاف دماهای حاصل از جدول (مربوط به فشار) و دمای خوانده شده برابر با سوپرهیت کل خواهد بود. مقدار سوپرهیت مناسب برای چیلرهای مختلف، متفاوت است اما در چیلرهایی با کاربرد خانگی و نیمه صنعتی، مقدار 5 تا 12 درجه ی سلسیوس برای اکثر موارد مناسب است.

سابکول چیست؟

فرایند سابکول (sub-cooling) کردن به کاهش دمای مایع اشباع کمتر از دمای اشباع گفته می شود. همان طور که در بخش قبل مشاهده کردیم با حرارت دادن به یک سیال دو فازی در یک نقطه، تمام سیال به بخار تبدیل می شود و در مقابل با گرفتن حرارت از این سیال دو فازی در یک نقطه ی خاص، تمام سیال به مایع تبدیل می شود که به این حالت، مایع اشباع (Saturated Liquid) گفته می شود.

در صورت ثابت ماندن فشار، دمای سیال دو فازی در صورت گرم یا سرد شدن ثابت می ماند اما اگر پس از رسیدن به حالت مایع اشباع از سیال گرما بگیریم، دمای آن کاهش یافته و به مایع مادون سرد یا سابکولد (Sub-cooled) تبدیل می شود.

چرا در سیکل تبرید، مبرد سابکول می شود؟

در سیکل تبرید، فرایند سابکول کردن برای رساندن مبرد به حالت کاملاً مایع در ورودی شیر انبساط به کار می رود. بخاری که از کمپرسور سیکل تبرید (مطالعه بیشتر: سیکل تبرید چیست) خارج می شود، دما و فشار بالایی دارد و در هنگام ورود به کندانسور مطابق با دیاگرام قبل، گرمای خود را آزاد کرده و خنک می شود.

با انجام فرایند سابکول کردن، میزان تبرید در یک چیلر افزایش یافته و به همین دلیل ضریب عملکرد سیکل تبرید نیز افزایش می یابد. به ازای هر یک درجه مادون سرد کردن مبرد خروجی از کندانسور، پنج درصد ظرفیت آن افزایش می یابد. علاوه بر این، اگر مایع اشباع از کندانسور خارج شده و وارد شیر انبساط شود، ممکن است در نتیجه کاهش فشاری که در شیر ایجاد می‌شود به طور ناگهانی به بخار تبدیل شود. این فرایند FLASHING نام دارد که باعث کاهش راندمان و خرابی شیر می شود.

محاسبه سابکول در کندانسور

برای محاسبه ی سابکول ، دمای خط مبرد مایع ورودی به شیر انبساط را 10 سانتی متر مانده به شیر اندازه بگیرید. همچنین فشار کندانسور را از نزدیک ترین نقطه به کندانسور اندازه بگیرید. (کندانسور تبخیری چیست و آشنایی با اجزایی آن) هرچه میزان خطای فشارسنج و دماسنجی که استفاده می شود، پایین تر باشد، نتایج بدست آمده دقیق تر خواهند بود. با استفاده از یک جدول، دمای اشباع را در فشار اندازه گیری شده بخوانید. مقدار سابکول برابر با اختلاف دمای بدست آمده از جدول و دمای خوانده شده از ورودی شیر انبساط است.

به طور مثال، فرض کنید در یک سیکل تبرید، مبرد R-410A استفاده می شود. اگر دمای مبرد ورودی به شیر انبساط را 23 درجه ی سلسیوس خوانده باشیم و فشار خروجی از کندانسور نیز با استفاده از فشارسنج، 91 کیلوپاسکال بدست آمده باشد، می خواهیم مقدار سابکول را محاسبه کنیم. با استفاده از جدول زیر، دمای اشباع مبرد را در فشار اشباع می خوانیم. (مطالعه بیشتر:
مبرد چیست و انواع مبرد ها و سرمازا)

این دما برابر با 27 درجه سلسیوس است. اختلاف دمای اشباع و دمای خوانده شده برابر با 4 درجه است که برابر با مقدار سابکول است.

در سیکل های تبرید، سابکول باید بین 4 تا 8 درجه سلسیوس یا کلوین باشد. در صورتی که این کمیت پایین تر از 4 درجه باشد، نشان دهنده شارژ پایین مبرد در سیستم است. همچنین در صورتی که این کمیت بالاتر از 8 درجه باشد، نشان از شارژ بیشتر از حد مجاز مبرد در سیستم است.

چگونگی اندازه گیری سابکول

برای اندازه گیری سابکول، مراحل زیر دنبال می شود:

• اندازه گیری دما در خروجی کندانسور:دما سنج در نقطه خروجی کندانسور نصب می شود تا دمای دقیق مبرد مایع را اندازه گیری کند.
• استفاده از جدول اشباع:با توجه به فشار در خروجی کندانسور، دمای اشباع مربوطه به دست می آید.
• محاسبه سابکول:سابکول را با کم کردن دمای مایع خط از دمای اشباع محاسبه کنید.

تفاوت بین سوپرهیت و سابکول

• سوپرهیت: افزایشدمای بخار مبرد بیشتر از نقطه جوش این موضوع راتضمین می کند که مبرد به طور کامل در حالت بخار وارد کمپرسور می شود.

• سابکول: کاهش دمای مایع مبرد کمتر از دمای تقطیر،این موضوع تضمین می کند که مبرد به طورکامل در حالت مایع به شیر انبساطی می رسد.

به طور کلی سوپرهیت به افزایش دمای بخار بالاتر از نقطه جوش آن اشاره دارد که تضمین می کند مبرد به طور کامل در حالت بخار به کمپرسور وارد می شود. از طرف دیگر، سابکول به کاهش دمای مایع مبرد زیر نقطه تقطیر آن اطلاق می شود که تضمین می کند مبرد به طور کامل در حالت مایع به شیر انبساطی وارد می شود. این دو مفهوم برای بهینه سازی کارایی و ایمنی سیستم های تبرید و تهویه مطبوع بسیار حیاتی هستند.