بحث تجريبي لمقارنة تأثير تغير درجات حرارة الدخول والخروج لمبادل حراري على أداء نظام تبريد متسلسل
DOI:
https://doi.org/10.65419/albahit.v5i1.121الكلمات المفتاحية:
درجات حرارة دخول وخروج المبادل الحراري، التبريد المتسلسل، معدل التدفق، معامل انتقال الحرارة، معامل الأداءالملخص
لا تُعد المبادلات الحرارية مجرد أجهزة تبريد تنقل الحرارة بين الموائع، بل تمثل وسيلة فعالة للحفاظ على الموارد، وتوفير المال، والمساهمة في الجهود العالمية للحد من هدر الطاقة، مما ينعكس إيجابًا على الأمن الاقتصادي واستدامة الموارد. إن التصميم الجيد واختيار أفضل المواد لتصنيع المبادلات الحرارية يضمنان تحقيق تبادل حراري مثالي.
يجب أن تحقق سعة المبادل الحراري المطلوبة لنظام التبريد أصغر فرق ممكن بين درجة حرارة دخول مبخر المبادل الحراري ودرجة حرارة خروج مكثف المبادل الحراري. وتعتمد السعة الكلية للنظام على فرق درجات الحرارة داخل المبادل الحراري بهدف تقليل استهلاك الطاقة.
تُظهر هذه الدراسة أهمية الفرق بين درجة حرارة دخول مبخر المبادل الحراري ودرجة حرارة خروج مكثف المبادل الحراري، حيث تكون لهذا الفرق قيمة محددة لكل درجة حرارة رئيسية للمبخر. فلكل درجة حرارة للمبخر الرئيسي (Tₑ)، توجد درجة حرارة خروج مقابلة (T₃) في دورة التبريد ذات الضغط المنخفض (LPC).
يُعد تشغيل المبادلات الحرارية عنصرًا أساسيًا في جميع أنظمة التبريد وتكييف الهواء، لذلك فإن اختيار نوع المبادل الحراري والمواد المستخدمة في تصنيعه بعناية أمر بالغ الأهمية. وبمراعاة عدة عوامل لضمان نتائج دقيقة وموثوقة، واستخدام برنامج التبريد المتخصص (REFPRO)، تم اختيار مبادل حراري صفائحي مكوّن من 24 طبقة لتحقيق تبادل حراري مثالي بين دائرتي التبريد في هذا البحث.
ولتقليل استهلاك الطاقة في نظام التبريد المتسلسل، يجب تحسين كفاءة المبادلات الحرارية، وتقليل فاقد الضغط، واختيار وسائط التبريد المناسبة لنطاق درجات الحرارة المطلوبة. كما ينبغي استخدام استراتيجيات تحكم متقدمة لتحسين أداء النظام تحت ظروف التشغيل المختلفة، مع الأخذ في الاعتبار الظروف البيئية المحيطة أثناء تصميم وتشغيل نظام التبريد المتسلسل، نظرًا لاعتماده الكبير على المبادل الحراري.
عند استخدام وسيط التبريد R407C مع R32، تبلغ درجة حرارة وسيط التبريد عند خروجه من المبادل الحراري بعد ساعتين من بدء تشغيل النظام 1.25 درجة مئوية. أما عند استخدام R407C مع خليط (90% / 10% من R32/R600A بالكتلة)، فتبلغ درجة الحرارة 0.8 درجة مئوية، أي بفارق 0.45 درجة مئوية مقارنة بالخليط.
سُجلت أعلى درجة حرارة لمبخر المبادل الحراري في هذه الدراسة عند -2.6 درجة مئوية، تليها درجة حرارة منخفضة بلغت -5.2 درجة مئوية، وهي أدنى درجة حرارة تم تسجيلها للمبخر في كلتا التجربتين. كما سجل كل من الخليط وغاز R32 نفس القيم عند مخرج المكثف في دورة الضغط المنخفض عند نهاية تشغيل النظام.
يوضح منحنى درجة حرارة مخرج الضاغط في دورة الضغط المنخفض أنه بعد ساعتين من بدء التشغيل، يخرج الخليط من خط الطرد بدرجة حرارة أقل مقارنة بغاز R32. وتُستخدم درجات حرارة كل من الخليط وغاز R32 لتحديد درجة حرارة الخروج المثلى للضاغط، والتي بدورها تحدد الحجم المناسب للضاغط، وسعة أنابيب المكثف، وسُمك الأنابيب.
تصل درجة حرارة مدخل الضاغط في دورة الضغط المنخفض إلى حد أقصى يبلغ 13 درجة مئوية، وهي أعلى درجة حرارة يمكن أن يصل إليها الخليط.
المراجع
[1] YE, Wenlian, et al. Effect of plate-fin heat exchanger structural parameters on the performance of a cascade refrigeration system. Case Studies in Thermal Engineering, 2024, 61: 104998.
[2] LIU, Jieying, et al. Enhancing energy and exergy performance of a cascaded refrigeration cycle: Optimization and comparative analysis. Journal of Cleaner Production, 2024, 438: 140760..
[3] ATEF, Mohamed A.; SALEM, Shazly M.; HUSSEIN, Mostafa H. Enhanced Cascade Refrigeration System Performance via Fuzzy-Based Multi-Objective Optimization. Petroleum & Coal, 2025, 67.1..
[4] JEON, Min-Ju; LEE, Joon-Hyuk. Thermodynamic Comparative Analysis of Cascade Refrigeration System Pairing R744 with R404A, R448A, and R449A with Internal Heat Exchanger: Part 1—Coefficient of Performance Characteristics. Energies, 2024, 17.17: 4481..
[5] HAO, Xinyue, et al. Experimental investigation of the ejector refrigeration cycle for cascade system application. Journal of Thermal Science, 2022, 31.5: 1476-1486..
[6] NGUYEN, Hoangtuan; DANG, Thanhtrung; YEUNYONGKUL, Pracha. A numerical simulation on heat transfer process of the cascade heat exchanger in a cascade refrigeration system using R134a/R744. International Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, 2025, 33.1: 9..
[7] LI, Yanpeng, et al. Performance evaluation and optimization of the cascade refrigeration system based on the digital twin model. Applied Thermal Engineering, 2024, 248: 123160..
[8] PRAJAPATI, Parth, et al. Energy-exergy-economic-environmental (4E) analysis and multi-objective optimization of a cascade refrigeration system. Thermal Science and Engineering Progress, 2024, 54: 102793..
[9] ZHANG, Hanyue, et al. Energy, exergy, economic and environmental analyses of a cascade absorption-compression refrigeration system using two-stage compression with complete intercooling. Applied thermal engineering, 2023, 225: 120185..
[10] ZHANG, Hanyue, et al. Energy, exergy, economic and environmental analyses of a cascade absorption-compression refrigeration system using two-stage compression with complete intercooling. Applied thermal engineering, 2023, 225: 120185.
[11] ROY, Ranendra; MANDAL, Bijan Kumar. Thermo-economic analysis and multi-objective optimization of vapour cascade refrigeration system using different refrigerant combinations: A comparative study. Journal of Thermal Analysis & Calorimetry, 2020, 139.5.
[12] KAYES, Imrul, et al. Multi-objective optimization and 4E (energy, exergy, economy, environmental impact) analysis of a triple cascade refrigeration system. Heliyon, 2024, 10.11..
[13] PRAJAPATI, Parth, et al. Energy-exergy-economic-environmental (4E) analysis and multi-objective optimization of a cascade refrigeration system. Thermal Science and Engineering Progress, 2024, 54: 102793.
[14] SUN, Zhili; WANG, Yi’an. Comprehensive performance analysis of cascade refrigeration system with two-stage compression for industrial refrigeration. Case Studies in Thermal Engineering, 2022, 39: 102400.
[15] SUN, Zhili, et al. Performance comparison of the single-refrigerant cascade refrigerating system. Energy Reports, 2022, 8: 8259-8270.
[16] FARUQUE, Md Walid, et al. Thermal performance evaluation of a novel ejector-injection cascade refrigeration system. Thermal Science and Engineering Progress, 2023, 39: 101745.
[17] OGINNI, Olarewaju Thomas, et al. Thermodynamic performance analysis of cascade vapour refrigeration system using different refrigerant pairs: a review. Adeleke University Journal of Engineering and Technology, 2023, 6.1: 130-141.
[18] KYRIAKIDES, Alexios-Spyridon, et al. Cascaded model predictive controller performance for the selection of robust working fluids in absorption refrigeration cycles. Applied Thermal Engineering, 2022, 206: 118038.
[19] LLOPIS, Rodrigo; MARTÍNEZ-ÁNGELES, Manel; GARCÍA-VALERO, Marc. A novel method to measure the energy efficiency and performance of an auto-cascade refrigeration cycle. Applied Thermal Engineering, 2023, 233: 121146.
[20] FARUQUE, Md Walid, et al. A comprehensive thermodynamic assessment of cascade refrigeration system utilizing low GWP hydrocarbon refrigerants. International Journal of Thermofluids, 2022, 15: 100177.


