مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

توسعه استفاده از معادلات حالت بنیادی در شبیه‌سازی سیستم‌های کرایوژنیکی؛ مطالعه موردی: چرخه سرمازای برایتون معکوس مورد استفاده در تاسیسات کابل‌ اچ‌تی‌اس

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد/دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
2 دانشیار دانشگاه صنعتی خواجه نصیر طوسی
چکیده
چکیده معادلات حالت بنیادی، معادلاتی هستند که بر حسب انرژی هلمهولتز صریح شده‌اند. این معادلات به ویژه در محدوده دمایی کرایوژنیک (دماهای زیر 120 کلوین)، دارای دقت مناسبی در پیش بینی خواص ترموفیزیکی هستند. در این تحقیق، به منظور معرفی قابلیت‌های این دسته از معادلات حالت در پیش‌بینی دقیق خواص ترمودینامیکی و کارایی آنان در شبیه‌سازی سیستم‌های کرایوژنیکی، طراحی و شبیه سازی رایانه‌ای چرخه برایتون معکوس دماپایین به منظور تامین نیتروژن مایع مورد نیاز جهت ایجاد شرایط ابررسانایی در یک کیلومتر کابل انتقال قدرت اچ‌تی‌اس مدنظر قرار گرفته است. در ابتدا یک کد محاسباتی با استفاده از معادلات حالت بنیادی توسعه داده شده است. مقایسه نتایج با داده‌های تجربی معتبر، دقت بالای معادلات حالت بنیادی را مورد تایید قرار می‌دهد. در ادامه با استفاده از کد محاسباتی یک چرخه برایتون معکوس با ظرفیت سرمایش 10 کیلووات طراحی و شبیه سازی شده و اثر پارامترهای مختلف طراحی بر عملکرد آن ارزیابی شده است. به منظور آنالیز حساسیت عملکرد چرخه نسبت به پارامترهای طراحی، نمودارهای مشخصه عملکرد چرخه تحت شرایط عملیاتی مختلف ارائه شده و تاثیر پارامترهای نسبت تراکم، فشار بیشینه، نوع مبرد، بازده مبدل بازیاب و بازده منبسط‌کننده بر عملکرد چرخه مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به نتایج حاصل از شبیه‌سازی چرخه مشخص شد که استفاده از مبرد نئون کارایی بهتری را نسبت به مبرد هلیم به دست می‌دهد. بازده مبدل بازیاب حرارتی اثر چشمگیری بر عملکرد سیکل دارد به نحوی که با افزایش 3 درصدی آن می‌توان عدد شایستگی سیکل را تا 11 درصد افزایش داد
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Applicability of fundamental equations of state in Simulation of Cryogenic Systems; Case Study: Reverse Brayton cryocooler for HTS cable

نویسندگان English

Mohammad Maboudi 1
Masoud Zia Bashrhagh 2
1 MSc. student/K.N. Toosi University of Technology
2 Associate Professor
چکیده English

Abstract The lack of an accurate equation of state for predicting the thermodynamic properties of materials in a wide range of temperature and pressure caused the researchers study on new equations. . In this investigation, a reverse Brayton cryocooler was simulated as a system that prepares the sub-cooled liquid nitrogen supplying the operation condition for high temperature superconductor cables. A computational code was developed for predicting thermodynamic properties of Helium and Neon using fundamental equation of state. Comparing the results with experimental data validate the accuracy of these equations in predicting the thermodynamic properties. Then, using the developed computational code, a reverse Brayton cycle with 10 kW cooling capacity, was designed and simulated and the effect of various parameters on its performance was evaluated. Performance characteristic curves were plotted to illustrate the sensitivity analysis under different operation conditions, and the influence of various parameters such as compression ratio in compressor, maximum pressure, working fluid, efficiency of the heat recovery exchanger and efficiency of expander on the performance of the cycle was addressed. The results showed that the use of neon as a refrigerant gives a better performance than helium. Efficiency of heat recovery exchanger has a significant effect on the performance of cycle, so that 3 percent increase of this parameter increases 11 percent figure of merit (FOM) of the cycle.

کلیدواژه‌ها English

Thermodynamic properties
Cryogenics
Equation of state
Sensitivity Analysis
Reverse Brayton cycle