معمل تبريد التجربة رقم1

التجارب المعملية
تجربة-1 : دراسة تأثير تغير درجـة حـرارة التبخـير (بثبـوت درجـة حرارة التكثيف) على كل من:
- سعة التبريد
- الحمل الحرارى للمكثف
- القدرة اللازمة لتشغيل الضاغط
- معامل اداء الدورة
الغرض من التجربة
1. أن يقيس الطالب ضغوط التشغيل بنظم التبريد.
2. أن يمثل الطالب دورة التبريد على إحداثيات الضغط -الإنثالبي.
3. أن يحدد الطالب قيم الخواص الثرموديناميكية من على خريطة الضغط -الإنثالبي
4. أن يحسب الطالب مؤشرات أداء وحدة التبريد النظرية والحقيقية ويقارن بينهما
مكونات وحدة التبريد بانضغاط البخار
تتكون وحدة التبريد بانضغاط البخار من:
 أجزاء ميكانيكية
وتنقسم إلى:
• أجزاء ميكانيكية أساسية.
• أجزاء ميكانيكية إضافية.
 أجزاء كهربية.
 أجهزة قياس وتحكم.
 مائع تبريد.
يوضح شكل (ت.1) رسما تخطيطيا لوحدة التبريد بانضغاط البخار التي تستخدم مركب التبريد (134a) كمائع تشغيل أساسي بينما تستخدم المياه كمائع تشغيل ثانوي عند كل من المبخر والمكثف.

شكل (ت.1) رسم تخطيطي لوحدة التبريد بانضغاط البخار
تشتمل وحدة التبريد على دائرة مركب التبريد ودائرة المياه المثلجة ودائرة المياه الساخنة وأجهزة القياس والتحكم.
- دورة مركب التبريد.
تتكون دورة مركب التبريد من الأجزاء الميكانيكية الآتية:
1. ضاغط
2. مكثف
3. صمام تمدد حرارى
4. مبخر
بالإضافة إلى الأجزاء الميكانيكية المساعدة وهي:
1. فلتر- مجفف
2. زجاجة بيان
3. خزان سائل مركب التبريد
4. مجموعة من الصمامات اليدوية
- دورة المياه المثلجة
تتكون من خزان المياه المثلجة وطلمبة المياه المثلجة والمبخر بالإضافة إلى خط مواسير مثبت به مجموعة من الصمامات اليدوية للتحكم فى معدل وإتجاة سريان المياه المثلجة.
- دورة المياه الساخنة
تتكون من خزان المياه الساخنة وطلمبة المياه الساخنة والمبخر بالإضافة إلى خط مواسير مثبت به مجموعة من الصمامات اليدوية للتحكم فى معدل وإتجاة سريان المياه الساخنة.
- أجهزة القياس
• تستخدم الازدواجات الحرارية لقياس درجات الحرارة في أماكن مختلفة لمركب التبريد والمياه المثلجة والساخنة
• تستخدم أنبوبة بوردن لقياس الضغط عند كل من مدخل ومخرج المكثف والمبخر
• يتم قياس معدل سريان كتلة مركب التبريد بإستخدام العداد المثبت بخط السائل بعد المكثف
• يتم قياس معدل سريان المياه من خلال وزن كمية معينة من المياه خلال فترة زمنية محددة
• يستخدم الكلامب أمبير لقياس كل من التيار المسحوب وفرق الجهد عند مدخل الضاغط
 الكميات المقاسة هي:
- درجة الحرارة
• درجات الحرارة بدائرة مركب التبريد
T1 = درجة الحرارة عند مدخل الضاغط ( ºC )
T2 = درجة الحرارة عند مخرج الضاغط ( ºC )
T3 = درجة الحرارة عند مدخل المكثف ( ºC )
T4 = درجة الحرارة عند مخرج المكثف ( ºC )
T5 = درجة الحرارة عند مدخل المبخر ( ºC )
T6 = درجة الحرارة عند مخرج المبخر ( ºC )
• درجات الحرارة بدائرة المياه الساخنة
T7 = درجة الحرارة عند مدخل المكثف( ( ºC
T8 = درجة الحرارة عند مخرج المكثف ( ºC )
• درجات الحرارة بدائرة المياه المثلجة
T9 = درجة الحرارة عند مدخل المبخر ( ºC )
T10 = درجة الحرارة عند مخرج المبخر ( ºC )

- الضغط بدائرة مركب التبريد
P1 = الضغط عند مخرج المبخر (psi)
P2 = الضغط عند مدخل المبخر (psi)
P3 = الضغط عند مدخل المكثف (psi)
P4 = الضغط عند مخرج المكثف (psi)
- معدل سريان كتلة المياه
• معدل سريان كتلة المياه المثلجة
mch,w = كتلة المياه المثلجة التي تم تجميعها في زمن معين ( kg )
τch,w = زمن تجميع كمية المياه المثلجة ( sec )
m•ch,w = معدل سريان المياه المثلجة mch,w / τch,w ) (
• معدل سريان كتلة المياه الساخنة
mhw = كتلة المياه الساخنة التي تم تجميعها في زمن معين ( kg )
τhw = زمن تجميع كمية المياه الساخنة ( sec )
m•hw = معدل سريان المياه الساخنة mhw / τhw ) (
- القياسات الكهربائية
V = فرق جهد التيار الكهربى عند مدخل الضاغط (Volt)
I = تيار التشغيل للضاغط (Ampere)
- أجهزة التحكم
تستخدم البرشرستات للتحكم في الضغط العالي والمنخفض لدورة مركب التبريد كما يستخدم الثرموستات للتحكم في درجة حرارة المياه المثلجة والمياه الساخنة
تقييم أداء الدورة
يمكن تقييم أداء دورة وحدة التبريد بالتجربة عن طريق حساب معامل أدائها الذي يعرف بأنه النسبة بين الحمل الحراري المستفاد إلى القدرة اللازمة لتشغيل الدورة أي أن:
COP = Q useful / P in
ومعامل الأداء إما أن يكون ثرموديناميكي أو حقيقي حيث أن معامل الأداء الثرموديناميكي محسوب بناء على ظروف تشغيل مركب التبريد (فريون 134أ ) بينما معامل الأداء الحقيقي محسوب بناء على ظروف تشغيل المائع الخارجي المستخدم ( الماء ).
حسابات الدورة الثرموديناميكية
يبين شكل (ت.2) تمثيل دورة التبريد على إحداثيات الضغط -الانثالبي لمائع التبريد R134a ومنها يتم إيجاد قيم الانثالبي النوعية عند نقاط الدورة المختلفة.






شكل (ت.2) تمثيل دورة التبريد على إحداثيات الضغط -الإنثالبي

يمكن حساب معدل سريان مائع التبريد النظري من المعادلة التالية:
r,th = Vst . ρ1 (1) m
حيث أن:
mr,th = معدل سريان كتلة مائع مركب التبريد ( kg / sec ).
Vst = معدل الإزاحة الحجمية للضاغط ( m3/sec ).
ρ1 = كثافة بخار مائع التبريد عند مدخل الضاغط ( kg / m3 ).
ويمكن حساب معدل الإزاحة الحجمية للضاغط من المعادلة التالية:
Vst = Vs N I Z (2)
حيث أن:
N = سرعة دوران عمود إدارة الضاغط بوحدات ( rpm ).
I = عدد المشاوير الفعالة.
Z = عدد الاسطوانات.
Vs = حجم الاسطوانات والذي يمكن حسابه من المعادلة التالية:
Vs = Π( D2 ¬¬¬ ) L /4 (3)
حيث أن:
D = قطر الاسطوانة ( m ).
L = طول المشوار ( m ).
أما معدل سريان كتلة مائع التبريد الحقيقية فيتم حسابه من المعادلة التالية:
mr,act = Vst N I Z ρ1 ηv,c (4)
حيث يتم حساب الكفاءة الحجمية للضاغط ( ηv,c )بمعلومية كل من ضغط المكثف (Pcom) وضغط المبخر (Peva) من المعادلة التالية:
ηv,c = 1 – C[( Pcom / Peva ) 1/n – 1 ] (5)
حيث أن:
Pcom = ضغط المكثف المطلق (bar).
Peva = ضغط المبخر المطلق (bar).
n = أس الانضغاط (n = 1.2 for R-134a).
C = نسبة الخلوص (C =0.04) .
وبناء على ذلك تقدر كمية الحرارة المضافة إلى مائع التبريد في المبخر من المعادلة التالية:
Qeva,th = mref (h1 ¬–h4) (6)
حيث أن:
( h1 ) = الانثالبي النوعي عند مخرج المبخر ( kJ / kg ) .
( h4 ) = الانثالبي النوعي عند مدخل المبخر ( kJ / kg ) .
تحسب كمية الحرارة المطرودة من مائع التبريد في المكثف من المعادلة التالية:
Qcon,th = mref (h2 – h3) (7)
حيث أن:
( h2 ) = الانثالبي النوعي عند مدخل المكثف ( kJ / kg ) .
( h3) = الانثالبي النوعي عند مخرج المكثف ( kJ / kg ) .
تقدر قدرة الضاغط من المعادلة التالية:
Pcom,th = mref (h2 - h) (
يحدد معامل أداء وحدة التبريد عند التشغيل في نمط التسخين من المعادلة التالية:
COPhp,th = Qcon,th / Pcom,th (9)
يحدد معامل أداء وحدة التبريد عند التشغيل في نمط التبريد من المعادلة التالية:
COPref,th = Qeva,th / Pcom,th (10)


حسابات الدورة الحقيقية
يتم حساب مؤشرات الأداء الحقيقية لدورة وحدة التبريد بإستخدام القياسات التي أجريت على المائع الخارجي ( المياه ) للدورة. حيث يحسب معدل إنتقال الحرارة المطرودة من مركب التبريد إلى المياه خلال المكثف من المعادلة التالية
Qcon,act = [mhw cw ( thw,o – thw,i )] / τhw (11)
حيث أن:
mhw = كتلة المياه الساحنة التي تم تجميعها في زمن معين (kg ).
cw = الحرارة النوعية للماء (cw = 4.19 kJ/kg.K).
thw,i = درجة حرارة دخول المياه الساخنة إلى المكثف ( C ).
thw,o = درجة حرارة خروج المياه الساخنة من المكثف ( ( C.
hw τ = زمن تجميع كمية المياه الساخنة ( sec ).
يتم إيجاد معدل كمية الحرارة المفقودة من المياه في المبخر من المعادلة التالية:
Qeva,act = [mch,w cw ( tch,w,i – tch,w,o )] / τact (12)
حيث أن:
mch,w = كتلة المياه المثلجة التي تم تجميعها في زمن معين (kg ).
Tch,w,,i = درجة حرارة دخول المياه المثلجة إلى المبخر ( C ).
Tch,w,o = درجة حرارة خروج المياه المثلجة من المبخر ( (C.
hw τ = زمن تجميع كمية المياه المثلجة ( sec ).
ويمكن تعيين معامل أداء وحدة التبريد عندما تعمل فى نمط التسخين من المعادلة (13) وعندما تعمل فى نمط التبريد من المعادلة (14)
COPhp,act = Qcon,w / Pcom,act (13)
COPref,act = Qeva,w / Pcom,act (14)
حيث أن:
= القدرة اللازمة لادارة للضاغط ويمكن إيجادها من المعادلة التالية: Pcom,act
Pcom,act =V . I . cos Φ (15)
حيث أن:
I = شدة التيار الداخل إلى الضاغط (Amber).
V = فرق الجهد الكهربي بين طرفي محرك الضاغط (Volt).
cos Φ = معامل القدرة الكهربية (0.
بتمثيل دورة التبريد بإنضغاط البخار على إحداثي الضغط – الإنثالبى عند ظروف التشغيل يمكن إيجاد قيم الانثالبي عند مدخل ومخرج كل جزء من أجزاء الدورة الميكانيكية (انظر شكل ت.1) وهي:
h1 = kJ / kg
h2 = kJ / kg
h3 = kJ / kg
h4 = kJ / kg
h5 = kJ / kg
h6 = kJ / kg
حسابات الدورة
أ‌. بناء عن القياسات الداخلية ( دورة التبريد الثرموديناميكية )
Qeva,th = m•ref . ∆heva = m•ref .qeva
qeva = ( h6 – h5 )
Qcon,th = m•ref . ∆hcon = m•ref .qcon
qcon = ( h3 – h4 )
Pcom,th = m•ref . wcon
wcon = ( h2 – h1 )
COPref,th = Qeva,th / Pcom,th = qeva / wcon
COPhp,th = Qcon,th / Pcom,th = qcon / wcon
ب‌. بناء عن القياسات الخارجية (دورة التبريد الفعلية)
Qeva,act = m•ch,w . cw . ∆Tch,w
Qcon,act = m•hw . cw . ∆Thw
Pcom,act = V . I . cos Φ
COPref,act = Qeva,act / Pcom,act
COPhp,act = Qcon,act / Pcom,act
يعطى جدول (ت.1) تأثير تغير درجة حرارة المبخر على سعة التبريد وحمل المكثف والقدرة المطلوبة لتشغيل الضاغط ومعامل الأداء. بإستخدام القيم الموجودة بهذا الجدول يمكن رسم سعة التبريد وحمل المكثف والقدرة المطلوبة لتشغيل الضاغط ومعامل الأداء كدالة فى درجة حرارة التبخير كما فى شكل (ت.3).
جدول (ت.1) تأثير درجة حرارة المبخر على أداء الدورة
Teva
(ºC) Qeva
kW Qcon
kW Pcom
kW COPref,act
(─)