تاسیسات نوین | دوره آموزش و طراحی تاسیسات مکانیکی ساختمان شامل نرم افزار تاسیسات، کتابهای تاسیسات و مقالات آموزشی در ادامه مبحث سیستم های آیس بانک به مبحث بسیار مهم اکسرژی اشاره می کنیم.
اکسرژی عددی است که حداکثر توانایی انرژی که در یک ماده موجود است تا باعث تغییر در فضای پیرامونش شود را تعیین می کند. در عمل، اکسرژی را می توان به جای مقدار انرژی در یک ماده، معیاری برای “سودمندی” انرژی در آن ماده دانست. انرژی که اکسرژی بالاتری دارد همواره ترجیح داده میشود چون سودمندتر است.
اگرچه هر دو مخزن در شکل 1-3 حاوی مقدار مساوی انرژی حرارتی هستند، می توان نشان داد که اکسرژیِ انرژی در مخزن طبقه بندی شده بزرگتر از اکسرژی مخزن کاملا مخلوط است. در زیر یک دلیل ساده که از این ادعا پشتیبانی می کند آورده شده است.
آب در نیمه بالایی مخزن طبقه بندی شده دمایی بین 115°F تا 120°F دارد. این آب می تواند گرما را به ماده دیگری که دمای 115°F دارد منتقل سازد. با این وجود، آب 110°F در مخزن کاملا مخلوط نمی تواند مستقیما گرما را به ماده دیگری در دمای 115°F منتقل کند. در نتیجه، آب در مخزن طبقه بندی شده مفیدتر است و پتانسیل بیشتری برای کاربرد انرژی در تامین یک بار ارائه می دهد.
هر زمان اختلاط بین مایعات گرم و سرد صورت گیرد، اتلاف اکسرژی خواهیم داشت. یک روش برای نشان دادن این قاعده، محاسبه “دمای معادل” (Te) یک مخزن کاملا مخلوط است که اکسرژی یکسانی با مخزن طبقه بندی شده دارد. این مورد را می توان با فرمول 1-3 انجام داد.
(فرمول 1-3):
که در آن:
- Te = دمای معادل مخزن کاملا مخلوط که اکسرژی یکسانی با مخزن طبقه بندی شده دارد (°F)
- Tmixed= دمای حقیقی مخزن کاملا مخلوط (°F)
- h = موقعیت عمودی در بالای کف مخزن (ft)
- ln= لگاریتم طبیعی
- T(h)= تابعی که دما در ارتفاع خاصی (h) درون مخزن را به دست می دهد (°F)
- e= 2.718281828
برای ارزیابی این فرمول، مقطع دمایی از پایین تا بالای مخزن نیاز به بیان به عنوان تابعی از ارتفاع مخزن دارد (h).
برای مثال، مخزن ذخیره حرارتی به ارتفاع 6 فوت را در نظر بگیرید. فرض کنید دمای آب در پایین مخزن 100°F و در بالا 120°F است. اگر یک مقطع دمایی خطی از پایین به بالا در نظر بگیریم، دمای آب به عنوان تابعی از ارتفاع مخزن می تواند به شکل زیر بیان شود:
اگر این تابع در فرمول 1-3 جایگذاری شود و ارزیابی صورت گردد، دمای معادل (Te) می تواند 110.15°F محاسبه شود. این مقدار اندکی بزرگتر از دمای حقیقی مخزن مخلوط (110°F) است. از آنجا که دمای معادل (Te) بالاتر از دمای مخلوط است، در صورت اختلاط، اتلاف اکسرژی خواهیم داشت.
می توان به صورت ریاضی اثبات نمود که این مورد برای هر مقطع دمایی ممکن که با طبقه بندی درون مخزن برقرار شده همواره وجود دارد. نتیجه نهایی اینکه، از اختلاط باید جلوگیری کرد (یا آن را به حداقل رساند) تا بتوان سودمندی گرما در یک مخزن ذخیره دمایی را حفظ نمود.
عواملی که بر طبقه بندی دمایی تاثیر گذارند
عوامل متعددی بر میزان موجود بودن طبقه بندی دمایی در یک مخزن ذخیره، تاثیر می گذارند:
- دمای آب اضافه شده به مخزن
- موقعیت و جهت ورودی های لوله کشی به مخزن
- حضور قطعات خاصی که پخش کننده های جریان ورودی درون مخزن نامیده می شوند.
- رسانایی گرمایی دیواره های مخزن
- عایق بندی روی مخزن
- زمان بندی و نرخی که در آن آب به مخزن اضافه و از آن حذف می شود
مخازن ذخیره حرارت مورد استفاده در سیستم های هیدرونیک باید طوری طراحی و اجرا شوند که طبقه بندی دمایی را تقویت کنند. دستورالعمل های پیش رو در این زمینه کمک می کند:
- استفاده از مخازن قائم به جای افقی
- وارد کردن آب گرم شده به بخش بالایی مخزن ذخیره حرارت
- خارج کردن آب سردتر از بخش پایینی مخزن
- فراهم کردن اتصالات لوله کشی و حتی الامکان جزئیات داخلی که اجازه می دهند جریان ورودی در سرعت های پایین و در جهت افقی وارد شود.
- خودداری در استفاده از اتصالات لوله کشی که باعث ایجاد جت های جریان قائم در داخل مخزن می شوند.
- استفاده از عایق بندی خوب روی مخزن (R-12 °F.hr.ft2/Btu حداقل پیشنهادی)
- در صورت امکان، استفاده از مخازنی که از موادی با رسانایی گرمایی پایین ساخته شده اند.
پیکربندی مخزن 4 لوله ای در مقابل 2 لوله ای
شکل 2-3 چیدمان لوله کشی یک مخزن را نشان می دهد که بسیاری از جزئیات در راستای طبقه بندی که اشاره شد را در خود دارد. این یک پیکربندی “4 لوله ای” بر مبنای 4 اتصال اصلی است که مخزن را به منبع حرارت (در نقاط A و D) و به بار (در نقاط B و C) متصل می کند.
این پیکربندی به آب گرم شده که از نقطه A به مخزن وارد می شود، اجازه می دهد به علت چگالی کمتر آن در مقایسه با چگالی آب سردتر بخش پایینی مخزن، در بخش بالایی باقی بماند. باز هم مقداری اختلاط بین آب ورودی و آبی که از قبل در بخش بالایی مخزن وجود داشته اتفاق می افتد. این موضوع باعث “تاخیر” بین زمانی که آب گرم در نقطه A وارد مخزن شده و آبی که در دمای یکسان مخزن را در نقطه B به سمت بار ترک می کند می شود.
برای سیستم هایی که باری نسبتا ثابت را حفظ می کنند، این موضوع عموما ایجاد مشکل نمی کند. با این حال، برای سیستم هایی که نیاز به انتقال سریع حرارت به بار در هنگام روشن شدن دیگ را دارند، یا پس از بازیابی از یک افت قابل توجه دما، هر گونه فعل و انفعالی با جرم حرارتی مخزن نامطلوب میباشد. در چنین شرایطی، پیکربندی مخزن 2 لوله ای که در شکل 3-3 نشان داده شده دارای مزایایی می باشد.
این مطلب ادامه دارد …