Барои пойгоҳи дарозмуддати Моҳ танҳо истеҳсоли нерӯи барқ кофӣ нест. Барои воҳидҳои таъмини ҳаёт, асбобҳои илмӣ, системаҳои электронӣ ва минтақаҳои ҳассоси корӣ ҳамчунин сардкунии бефосила зарур аст. Бар хилофи иншооти рӯи Замин, дар сатҳи Моҳ атмосфера вуҷуд надорад, бинобар ин гармии партовро бо ҳаво ё об интиқол додан мумкин нест; он танҳо тавассути радиаторҳо ба фазо паҳн карда мешавад. Илова бар ин, ҳарорати эквивалентии чоҳи гармие, ки радиатор бо он рӯ ба рӯ мешавад, дар давоми рӯзи Моҳ метавонад тақрибан аз 90 K то 325 K тағйир ёбад. Ин диапазони васеъ метавонад боис шавад, ки даврае, ки дар ҳарорати паст хеле самаранок кор мекунад, дар нисфирӯзи Моҳ самаранокиро аз даст диҳад ё сардкуниро пурра қатъ кунад.

Муҳаққиқон барои ин мушкилот ҳафт системаеро таҳия кардаанд, ки истеҳсоли нерӯ ва сардкуниро дар як занҷири энергетикӣ муттаҳид мекунанд. Системаҳо ба пайвасткунии гуногуни давраи органикии Rankine, давраи транскритикии CO₂ Rankine ва давраи пӯшидаи Brayton бо давраҳои сардкунии фишурдани буғ, эжекторӣ ё абсорбсионӣ асос ёфтаанд. Муқоиса танҳо бо миқдори барқ ва сардкунӣ маҳдуд нашудааст; самаранокии эксергия, омили истифодаи энергия, коэффисиенти иҷрои сардкунӣ, майдони радиатор, майдони ивазкунандаи гармӣ ва ҷараёни ҳаҷмӣ дар баромади турбина низ арзёбӣ шудаанд.

Дар нуқтаи тарҳрезӣ бо вуруди гармии 100 kW ва ҳарорати эквивалентии чоҳи гармии 100 K, системаи органикии Rankine–сардкунии фишурдани буғ бо истифода аз R600a бо омили истифодаи энергия фоизи 73,2 ва коэффисиенти иҷрои сардкунӣ 6,30 баландтарин самаранокии ба сардкунӣ нигаронидашударо додааст. Системаи органикии Rankine–сардкунии эжекторӣ бо 18,9 kW ба баландтарин истеҳсоли софи барқ ва соддатарин сохтор расидааст. Системаи транскритикии CO₂ Rankine–фишурдани буғ бошад, бо фоизи 56,5 баландтарин самаранокии эксергияро таъмин кардааст.

Натиҷаҳои нуқтаи тарҳрезӣ ба танҳоӣ интихоби ниҳоиро муайян накардаанд. Дар тағйироти ҳароратии 90–325 K дар рӯзи Моҳ, омили истифодаи энергияи системаи органикии Rankine–фишурдани буғ дар ҳарорати баланд то фоизи 37,3 коҳиш ёфтааст. Дар системаи эжекторӣ, вақте ҳарорати эквивалентии чоҳи гармӣ аз 309 K гузашт, кашиши эжектор қатъ шуд ва иқтидори сардкунӣ ба сифр расид. Системаи транскритикии CO₂ бошад, бо ҳамзамон баланд кардани фишорҳои вуруд ва баромади турбина дар 325 K омили истифодаи энергия фоизи 58,5 ва иқтидори сардкунии 47,5 kW-ро нигоҳ доштааст. Аз ин рӯ, таҳқиқот системаи транскритикии CO₂ Rankine–фишурдани буғро ҳамчун роҳи техникии устувортарин дар давоми рӯзи Моҳ интихоб мекунад.

Натиҷаҳо аз прототипи воқеии пойгоҳи Моҳ не, балки аз моделҳои термодинамикӣ ва симулятсияҳои нимустувор гирифта шудаанд. Талафоти гармӣ, пастшавии фишор, динамикаи гузариши таҷҳизот, чанги Моҳ, зарари радиатсионӣ ва ҷузъиёти ҷараёни дуфазагӣ дар микрогравитатсия ба ҳисоб гирифта нашудаанд. Фарз карда шудааст, ки воҳиди нигоҳдории гармии тағйирёбии фаза вуруди гармиро дар 100 kW собит нигоҳ медорад, аммо масса ва иқтидори ин системаи нигоҳдорӣ ҷудогона андозагирӣ нашудаанд.

Мушкилоти асосии таҳқиқот чист?

Агар истеҳсоли энергия ва назорати гармӣ дар пойгоҳи Моҳ мустақил аз ҳам тарҳрезӣ шаванд, ду мушкили муҳим ба вуҷуд меоянд. Якум, гармии партов бо ҳарорати қобили истифода аз давраи қувва мустақиман ба фазо партофта шуда, қисми потенсиали энергетикӣ аз даст меравад. Дуюм, системаи сардкунӣ бори алоҳидаи барқӣ эҷод мекунад ва иқтидори лозим барои насби системаи истеҳсоли нерӯро зиёд мекунад.

Ҳадафи ин таҳқиқот таъмин кардани истифодаи зинавии энергия бо интиқоли мустақими кори механикӣ, потенсиали фишор ё гармии партов аз давраи истеҳсоли қувва ба давраи сардкунӣ мебошад. Таҳқиқот се саволи асосӣ дорад:

• Дар шароити Моҳ кадом ҷуфткунии истеҳсоли қувва–сардкунӣ дар нуқтаи тарҳрезӣ баландтарин самаранокиро медиҳад?
• Барои механизмҳои гуногуни пайвастшавӣ кадом моеъи корӣ байни самаранокии термодинамикӣ ва ихчамии таҷҳизот беҳтарин тавозунро таъмин мекунад?
• Системаҳои интихобшуда ҳангоми боло рафтани ҳарорати сарҳадии радиатор аз 90 K то 325 K дар рӯзи Моҳ сардкунӣ ва истеҳсоли барқро то чӣ андоза нигоҳ дошта метавонанд?

Чаро муҳити Моҳ аз системаҳои энергетикии Замин фарқ мекунад?

Вакууми баланд дар сатҳи Моҳ интиқоли конвективии гармиро аз байн мебарад. Гармии партови система бояд асосан тавассути шуоъафкании инфрасурх ба фазои амиқ партофта шавад. Майдони радиатор аз рӯи муносибати асосии зерин муайян мешавад:

\[ A_{\mathrm{rad}}= \frac{Q_{\mathrm{rad}}} {\varepsilon\sigma \left(T_{\mathrm{rad,avg}}^{4}-T_{s}^{4}\right)} \]

• A_rad: Майдони зарурии радиатор аст ва бо m² ифода мешавад.
• Q_rad: Гармиест, ки радиатор бояд ба фазо партояд ва бо kW ифода мешавад.
• ε: Коэффисиенти шуоъафкании инфрасурхи сатҳи радиатор аст.
• σ: Доимии Stefan–Boltzmann аст; 5,6704 × 10⁻⁸ W/(m²·K⁴).
• T_rad,avg: Ҳарорати миёнаи сатҳи радиатор аст.
• T_s: Ҳарорати эквивалентии чоҳи гармиест, ки радиатор бо он рӯ ба рӯ мешавад.

Бо баланд шудани T_s, фарқи T_rad,avg⁴ − T_s⁴ кам мешавад. Барои партофтани ҳамон миқдори гармӣ бояд майдони радиатор ё ҳарорати кори радиатор зиёд карда шавад. Аз ин рӯ, нисфирӯзи Моҳ на танҳо аз сабаби сатҳи гарм, балки аз сабаби коҳиш додани қобилияти софи шуоъафкании радиатор душвортарин шароити кори системаҳо мебошад.

Ҳарорати эквивалентии чоҳи гармӣ чӣ гуна ҳисоб шудааст?

Модел шуоъафкании инфрасурх аз сатҳи Моҳ, шуоъафкании мустақими Офтоб, нури Офтоби аз сатҳи Моҳ инъикосшуда ва заминаи фазои амиқро дар як ҳарорати эквивалентӣ муттаҳид мекунад:

\[ T_{s}= \left[ F_{1}T_{m}^{4} + \frac{G_{s}}{\sigma} \frac{\alpha_{s}}{\varepsilon} \cos\theta_{1}(1+aF_{1}) + T_{\mathrm{space}}^{4} \right]^{1/4} \]

• F₁: Омили диди радиатор ба сатҳи Моҳ аст.
• T_m: Ҳарорати сатҳи Моҳ аст.
• G_s: Доимии Офтоб дар мадори Моҳ аст; дар таҳқиқот 1367 W/m² истифода шудааст.
• α_s: Коэффисиенти ҷабби шуоъафкании Офтоб аз ҷониби радиатор аст.
• θ₁: Кунҷи зенитии Офтоб аст.
• a: Албедои сатҳи Моҳ аст; дар ҳисоби асосӣ 0,07 гирифта шудааст.
• T_space: Ҳарорати заминаи фазои амиқ аст.

Радиатор ҳамчун сатҳи уфуқие интихоб шудааст, ки ба фазои амиқ нигаронида шудааст ва ҳадаф то ҳадди имкон кам кардани омили диди он ба сатҳи Моҳ будааст. Графики саҳифаи 15-уми таҳқиқот нишон медиҳад, ки дар давраи синодии 29,5 рӯзи Замин ҳарорати сатҳ дар рӯз тақрибан ба шакли синусоидӣ баланд шуда, пас аз рӯзи 14,75-уми Замин дар шаби Моҳ ба тақрибан 90–100 K мефарояд.

Тақрибе, ки барои ҳарорати сатҳи рӯзи Моҳ истифода шудааст:

\[ T_{m}=90+ 275\sin^{0.55} \left(\frac{\pi D_{a}}{14.75}\right) \]

мебошад. D_a вақти Моҳ бо воҳиди рӯзи Замин аст. Дар таҳлили берун аз нуқтаи тарҳрезӣ ҳарорати эквивалентии чоҳи гармии радиатор дар гирди тулӯъ ва ғуруб 90 K ва дар нисфирӯзи Моҳ 325 K татбиқ шудааст.

Ҳафт системаи муттаҳид чӣ гуна сохта шудаанд?

Дар саҳифаи 10-уми таҳқиқот Шакли 1 схемаҳои ҷараёни ҳафт системаро дар як ҷадвал нишон медиҳад. Системаҳо ба се механизми гуногуни пайвасткунии энергия ҷудо шудаанд.

Пайвастшавии меҳвари механикӣ чӣ гуна кор мекунад?

Дар Sys 1 ва Sys 2 турбинаи давраи қувва ва компрессори давраи сардкунии фишурдани буғ дар як меҳвари механикӣ ҷойгиранд. Қисме аз кори истеҳсолкардаи турбина мустақиман ба компрессор интиқол дода мешавад; ҳамин тавр талафоти марҳилаҳои истеҳсоли барқ, муҳаррик ва боз ба кори механикӣ табдил додан пешгирӣ мешаванд.

Бартарии ин пайвастшавӣ роҳи кӯтоҳи интиқоли энергия ва самаранокии баланди сардкунӣ мебошад. Камбудӣ он аст, ки нуқтаҳои кори турбина ва компрессор бояд дар як суръати меҳвар ва тавозуни қувва мутобиқ карда шаванд. Азбаски тағйири ҳарорати радиатор ҳамзамон фишори паси турбина ва фишори конденсатсияи компрессорро тағйир медиҳад, назорати берун аз нуқтаи тарҳрезӣ муҳим мегардад.

Системаи эжектории пайвасти моеъ–кор чӣ гуна кор мекунад?

Дар Sys 3 ва Sys 4 давраи сардкунӣ компрессори механикӣ истифода намекунад. Қисме аз моеъи фишори баланди давраи қувва ҳамчун ҷараёни асосии эжектор ба сопло фиристода мешавад. Дар сопло энергияи фишор ба суръат табдил дода шуда, минтақаи фишори паст ба вуҷуд меояд. Ин минтақа ҷараёни дуюмдараҷаи сардкунандаро аз evaporator мекашад.

Таносуби кашиши эжектор:

\[ \mu=\frac{\dot m_{\mathrm{sf}}} {\dot m_{\mathrm{pf}}} \]

таъриф мешавад. Дар ин ҷо ṁ_sf ҷараёни массавии ҷараёни дуюмдараҷаи кашидашуда ва ṁ_pf ҷараёни массавии ҷараёни асосӣ мебошад.

Таҳқиқот эжекторро бо модели якандозаи омехташавии фишори доимӣ ҳисоб кардааст, ки онро ба чор минтақа — сопло, камераи кашиш, камераи омехта ва диффузор — ҷудо мекунад. Импулси ҷараёнҳои асосӣ ва дуюмдараҷа дар камераи омехта якҷо шуда, дар диффузор суръат ба фишор табдил меёбад.

Набудани қисмҳои ҳаракаткунанда системаи эжекториро барои муҳити пурчангу имконияти нигоҳдории маҳдуди Моҳ ҷолиб мекунад. Аммо кори эжектор ба фишори муайяни ҷараёни асосӣ ва таносуби фишори пасӣ вобаста аст. Вақте ин таносуб аз ҳади муҳим мегузарад, мавҷи зарба ба самти сопло ҳаракат мекунад ва кашиши ҷараёни дуюмдараҷа қатъ мешавад.

Системаҳои абсорбсионии бо гармӣ пайвастшуда чӣ гуна кор мекунанд?

Sys 5–7 ба ҷойи компрессор давраи абсорбсионии NH₃–H₂O-ро истифода мебаранд. Моеъи гарм аз давраи қувва аввал ба генератори давраи абсорбсионӣ ворид шуда, ҷудо шудани аммиакро аз маҳлул таъмин мекунад. Ҳамин тавр гармии партови сифати паст барои истеҳсоли сардкунӣ истифода мешавад.

Ин равиш масрафи барқи сифати баланд ё кори меҳварро кам мекунад ва метавонад бори умумии гармии ба радиатор фиристодашавандаро дар ҳароратҳои баландтар муттаҳид созад. Бар иваз, генератор, absorber, ивазкунандаи гармии маҳлул, rectifier, насос ва қубурҳои иловагӣ талаб карда мешаванд. Ҳисобҳои майдонии таҳқиқот нишон додаанд, ки сарфи назар аз хурд шудани радиатор майдони умумии ивазкунандаи гармӣ ҷиддан зиёд мешавад.

Ҷузъҳои термодинамикӣ чӣ гуна модел шудаанд?

Қувваи турбина:

\[ W_{\mathrm{tur}}= \dot m_{\mathrm{tur}} (h_{\mathrm{tur,in}}-h_{\mathrm{tur,out}}) \]

масрафи компрессор:

\[ W_{\mathrm{com}}= \dot m_{\mathrm{com}} (h_{\mathrm{com,out}}-h_{\mathrm{com,in}}) \]

ва масрафи насос:

\[ W_{\mathrm{pump}}= \dot m_{\mathrm{pump}} (h_{\mathrm{pump,out}}-h_{\mathrm{pump,in}}) \]

ҳисоб шудаанд. Турбина, компрессор ва насосҳо адиабатӣ қабул шуда, дар муқоисаи асосӣ самаранокии изентропии онҳо 0,85 гирифта шудааст.

Тавозуни энергия барои ивазкунандаи гармӣ:

\[ Q_{\mathrm{hex}} = \dot m_{h}(h_{h,\mathrm{in}}-h_{h,\mathrm{out}}) = \dot m_{l}(h_{l,\mathrm{out}}-h_{l,\mathrm{in}}) \]

мебошад. Барои он ки интиқоли гармӣ аз ҷиҳати физикӣ имконпазир боқӣ монад, барои фарқи ҳарорати нуқтаи pinch ҳади поёнӣ татбиқ шудааст. Дар муқоисаи умумӣ 10 K ва дар баъзе шохаҳои ҳал ҳадди ақал 5 K истифода шудааст.

Фарзияҳои асосии модел кадомҳоянд?

• Ҳар як нуқтаи корӣ ҳамчун ҳолати устувор ҳал шудааст.
• Талафоти гармӣ ба муҳит сарфи назар шудааст.
• Пастшавии фишор дар қубурҳо ва ҷузъҳо сарфи назар шудааст.
• Тағйироти энергияи кинетикӣ ва потенсиалӣ, ғайр аз соплои эжектор, сарфи назар шудааст.
• Фарз шудааст, ки дар ивазкунандаҳои гармӣ интиқоли кофӣ ва фаврии гармӣ вуҷуд дорад.
• Клапанҳои дроссел изоэнтальпӣ қабул шудаанд.
• Самаранокии изентропии турбина, компрессор ва насос собит нигоҳ дошта шудааст.
• Васеъшавии турбина барои пешгирии пайдоиши намӣ ба қисмҳо ҷудо карда ҳисоб шудааст.
• Дар давраи NH₃–H₂O rectification-и идеалӣ қабул шуда, буғи аз генератор баромада ба аммиаки софи тофта баробар карда шудааст.

Ин фарзияҳо муқоисаи топологияҳои системаро дар як муҳити умумии ҳисоб осон мекунанд. Аммо талафоти фишори таҷҳизоти воқеӣ, тағйири самаранокӣ дар бори қисмӣ, динамикаи маҳдуди ивазкунандаҳои гармӣ ва ноустувориҳои ҷараёни дуфазагӣ дар модел ҷой надоранд.

Энергия, эксергия ва ихчамӣ бо кадом нишондиҳандаҳо арзёбӣ шудаанд?

Самаранокии гармӣ

\[ \eta_{\mathrm{th}}= \frac{W_{\mathrm{net}}}{Q_{\mathrm{in}}} \]

Таносуби истеҳсоли софи барқ ба вуруди умумии гармӣ мебошад.

Коэффисиенти иҷрои сардкунӣ

Барои давраи фишурдани буғ:

\[ COP_{\mathrm{VCR}}= \frac{Q_{\mathrm{cool}}}{W_{\mathrm{com}}} \]

барои давраи абсорбсионӣ:

\[ COP_{\mathrm{AR}}= \frac{Q_{\mathrm{cool}}} {Q_{\mathrm{gen}}+W_{P}} \]

истифода шудааст. Таърифи COP-и давраи эжекторӣ ба гармии ба тамоми система воридшуда асос ёфтааст. Аз ин рӯ, арзишҳои COP барои VCR, ERC ва AR ба шаклҳои гуногуни энергияи ҳаракатдиҳанда асос меёбанд; онҳо набояд ҳамчун таносубҳои бевоситаи як вуруди физикии яксон хонда шаванд.

Самаранокии эксергия

\[ \eta_{\mathrm{ex}}= \frac{W_{\mathrm{net}}+Ex_{\mathrm{cool}}} {Ex_{\mathrm{in}}} \]

Сифати энергияи қобили истифодаи барқ ва сардкуниро якҷоя чен мекунад. Тамоми гармии сардкунӣ ҳамчун дорои сифати якхела бо барқ қабул намешавад; эксергияи вобаста ба сатҳи ҳарорат истифода мешавад.

Омили истифодаи энергия

\[ EUF= \frac{W_{\mathrm{net}}+Q_{\mathrm{cool}}} {Q_{\mathrm{in}}} \]

Нишон медиҳад, ки чӣ қадар аз вуруди умумии гармӣ ҳамчун барқ ва сардкунии муфид истифода мешавад. EUF миқдори энергияро чен мекунад; сифати энергияро ба мисли самаранокии эксергия ба таври муфассал ҷудо намекунад.

Майдони хоси радиатор

\[ SRA= \frac{A_{\mathrm{rad}}} {W_{\mathrm{net}}+Q_{\mathrm{cool}}} \]

Майдони радиаторест, ки барои ҳар kW баромади умумии муфид лозим аст.

Майдони хоси ивазкунандаи гармӣ

\[ SHEA= \frac{A_{\mathrm{hex,tot}}} {W_{\mathrm{net}}+Q_{\mathrm{cool}}} \]

Майдони умумии ҳамаи ивазкунандаҳои гармии системаро ба баромади муфид нисбат медиҳад.

Ҷараёни ҳаҷмӣ дар баромади турбина

\[ VFR=\dot m_{\mathrm{ORC,out}}v_{\mathrm{out}} \]

Ҳосили зарби ҷараёни массавии моеъ дар баромади турбина ва ҳаҷми хоси он аст. VFR-и калон марҳилаи охирини васеътари турбина, канали ихроҷ ва диаметри калонтари қубурро талаб мекунад.

Ҳудудҳои умумии тарҳрезӣ кадомҳоянд?

Арзёбии давраҳои CO₂ дар ҳарорати болоии 823 K ва давраҳои органикӣ дар 573 K ба ҳудудҳои устувории гармии моеъҳои корӣ асос ёфтааст. Ин интихоб аз ҷиҳати муҳандисӣ маъно дорад; аммо азбаски системаҳо дар як ҳарорати болоӣ муқоиса нашудаанд, сатҳи иҷозатдодашудаи ҳарорат низ дар бартарии эксергии давраҳои CO₂-и ҳарорати баланд нақш дорад.

Шаш моеъи органикии корӣ чӣ гуна интихоб шуданд?

Барои системаҳои асосёфта ба ORC, R245fa, R123, R1233zd, толуол, бутан ва R600a арзёбӣ шудаанд. Маълум гардид, ки як моеъ дар ҳамаи намудҳои пайвастшавӣ беҳтарин нест ва барои ҳар система меъёри интихоби ҷудогона татбиқ шудааст.

Чаро барои ORC–VCR R600a интихоб шуд?

Дар ORC–VCR мушкили асосӣ ҷараёни ҳаҷмӣ дар баромади турбина ва фишори конденсатсия мебошад. Гарчанде толуол ба баландтарин қувваи соф ва майдони пасти радиатор расидааст, дар 280 K фишори конденсатсияи тақрибан 1,3 kPa ва ҷараёни ҳаҷмии баромади турбинаи 4500 L/s тавлид кардааст. Ин арзиш тақрибан 80 маротиба аз R600a зиёд буда, турбина ва хатти ихроҷро калон мекунад.

Бутан аз ҷиҳати термодинамикӣ аз R600a каме беҳтар аст, аммо ҷараёни ҳаҷмии тақрибан 78 L/s ва фишори тофтаи 105 kPa дорад. R600a ҷараёни ҳаҷмии тақрибан 55 L/s, фишори мусбати 185 kPa ва иқтидори сардкунии танҳо фоизи 3,2 пасттар аз бутанро таъмин кардааст. Аз ин рӯ, R600a ҳамчун варианти мутавозинтарин байни самаранокии термодинамикӣ ва ихчамии таҷҳизот муайян шудааст.

Чаро барои ORC–ERC R1233zd интихоб шуд?

Дар системаи эжекторӣ на танҳо самаранокии турбинаи моеъ, балки суръат дар баромади сопло, суръати садо, талафоти зарба ва қобилияти кашидани ҷараёни дуюмдараҷа низ муҳиманд.

R123 ба самаранокии эксергии фоизи 48,1 ва R1233zd ба фоизи 47,3 расидааст. Гарчанде R123 каме бештар сардкунӣ ва қувва истеҳсол кардааст, ҷараёни ҳаҷмии баромади турбинаи он аз R1233zd фоизи 30,6 баландтар аст. Рафтори мувофиқи R1233zd дар васеъшавии сопло ва нишондиҳандаи пасттари изентропии он ҷараёни устувори фавқуссадоӣ ва таносуби беҳтари кашишро таъмин кардааст. Аз ин рӯ, ба ивази талафоти хурди самаранокӣ R1233zd-и ихчамтар интихоб шудааст.

Чаро барои ORC–AR R1233zd интихоб шуд?

Барои он ки давраи абсорбсионӣ аммиакро ҷудо карда тавонад, ORC бояд тақрибан дар 370 K конденсатсия шавад. Гарчанде толуол дар ин ҳарорат қувваи софи баланд истеҳсол кардааст, фишори конденсатсияи тақрибан 67,5 kPa ва ҷараёни ҳаҷмии 1170 L/s эҷод кардааст.

Бутан ба фишори конденсатсияи 2,25 MPa ва R600a ба 2,71 MPa мерасанд, ки ғафсии девори қубур ва ивазкунандаи гармиро зиёд мекунад. R1233zd фишори конденсатсияи тақрибан 1,17 MPa, ҷараёни ҳаҷмии миёна ва 7,8 kW кори меҳварии бештар аз R245fa-ро таъмин кардааст. Аз ин рӯ, барои системаи ORC–AR-и бо гармӣ пайвастшуда низ R1233zd интихоб шудааст.

Модел чӣ гуна тасдиқ шудааст?

Сохтори муттаҳиди ҳамаи ҳафт система бо таҷриба тасдиқ нашудааст. Ба ҷойи ин, зер-моделҳои қувва ва сардкунӣ бо нуқтаҳои кори ҳисобҳои мустақили нашршуда муқоиса шудаанд.

Дар графикҳои тасдиқи саҳифаи 29 дида мешавад, ки модели ҷорӣ каҷҳои адабиётро наздик пайгирӣ мекунад. Ин муқоисаҳо дастгирӣ мекунанд, ки муодилаҳои асосии термодинамикӣ натиҷаҳои қобили қабул медиҳанд. Аммо тасдиқ ба зерсистемаҳои ҷудогона аз манбаъҳои гуногун тааллуқ дорад; он ҳамаи ҳафт конфигуратсияи муттаҳид, радиатори Моҳ ва механизми назорати берун аз нуқтаи тарҳрезиро якҷоя тасдиқ намекунад.

Дар нуқтаи тарҳрезӣ кадом системаҳо фарқ карданд?

Дар ҳарорати эквивалентии чоҳи гармии 100 K ва вуруди гармии 100 kW се намуди бартарӣ ба вуҷуд омад.

Sys 1: ORC–VCR

• Баландтарин иқтидори сардкунӣ
• EUF: %73,2
• COP: 6,30
• Нуқтаи тарҳрезии қавӣ барои вазифаҳое, ки таъмини ҳаёт ва сардкунии кабина бартарӣ доранд

Гармии ниҳонии баланди R600a ва масрафи ками энергияи насоси моеъ дар ҳарорати пасти конденсатсия самаранокии қавӣ таъмин кардаанд.

Sys 2: tRC–VCR

• Самаранокии эксергия: баландтарин арзиш бо %56,5
• EUF-и нуқтаи тарҳрезӣ: тақрибан %65,2
• Турбина ва ивазкунандаҳои гармии нисбатан ихчам аз сабаби зичии баланди CO₂

Дар раванди қабули гармии транскритикӣ тағйири пайвастаи ҳарорати моеъ бо каҷи озодкунии гармии коллектори офтобӣ мувофиқати беҳтари ҳарорат ба вуҷуд оварда, нобудшавии эксергияро кам кардааст.

Sys 3: ORC–ERC

• Қувваи софи барқ: баландтарин арзиш бо 18,9 kW
• COP: танҳо 0,52
• Соддатарин сохтори система
• Пасттарин майдони хоси ивазкунандаи гармӣ

Азбаски компрессор вуҷуд надорад, қисми зиёди кори турбина ба барқи соф табдил меёбад. Бар иваз, талафоти зарба, омехташавӣ ва интиқоли импулс дар эжектор самаранокии сардкуниро маҳдуд мекунанд.

Чаро системаҳои абсорбсионӣ хориҷ шуданд?

Sys 5–7 бо истифода аз гармии партови давраи қувва майдони хоси радиаторро ба диапазони 8,9–9,3 m²/kW кам кардаанд. Бар иваз, аз сабаби генератор, absorber, ивазкунандаи гармии маҳлул ва rectifier майдонҳои хоси умумии ивазкунандаи гармӣ ба 25,5–28,0 m²/kW расидаанд.

Таҳқиқот арзёбӣ кардааст, ки сарфи назар аз кам шудани майдони радиатор, афзоиши майдони умумии ивазкунандаи гармӣ метавонад аз ҷиҳати масса ва ҳаҷми ба Моҳ интиқолшаванда қобили қабул набошад. Sys 4 бошад, бо сабаби сохтори мураккаби дукомпрессорӣ ва ниёзи бештар ба майдон нисбат ба Sys 1–3 хориҷ шудааст.

Таҳлили берун аз нуқтаи тарҳрезии рӯзи Моҳ чӣ гуна анҷом дода шуд?

Рӯзи Моҳ ҳамчун раванди 14,8 рӯзи Замин ба шумораи зиёди нуқтаҳои кори устувор ҷудо шудааст. Ин равиш таҳлили “нимустувор” аст: ҳар як нуқтаи ҳарорат ҳамчун ҳолати мустақили устувор ҳал шуда, динамикаи воқеии гузариш, ки аз тағйири ҳарорат бо вақт ба вуҷуд меояд, модел нашудааст.

Фарз шудааст, ки воҳиди нигоҳдории гармии тағйирёбии фаза тағйири шуоъафкании Офтобро ҳамвор карда, дар тамоми рӯз ба давраи қувва 100 kW гармии собит медиҳад. Ҳамин тавр, тағйири самаранокии система асосан аз боло рафтани T_s ба вуҷуд меояд гуфта шудааст.

Чаро Sys 1 дар нисфирӯзи Моҳ самаранокии ҷиддиро аз даст дод?

R600a дар минтақаи тофтаи поёнтар аз нуқтаи критикӣ кор мекунад. Дар ин минтақа ҳарорати конденсатсия ва фишори конденсатсия бо ҳам вобастаанд. Бо боло рафтани T_s, ҳарорати радиатор ва фишори конденсатсияи R600a босуръат зиёд мешаванд.

Баланд шудани фишори баромади турбина:

• Таносуби фишори турбинаро кам мекунад.
• Коҳиши энталпияи бадастомада аз турбинаро хурд мекунад.
• Фишори заруриро барои кори компрессор зиёд мекунад.
• Азбаски ҳарорати вуруди турбина бо ҳади устувории моеъ маҳдуд аст, ҷуброн карда намешавад.

Дар натиҷа, арзиши EUF-и Sys 1 дар T_s = 100 K фоизи 73,2 буда, дар 325 K то фоизи 37,3 коҳиш ёфтааст. Таҳқиқот инро тақрибан фоизи 49 пастшавии самаранокӣ арзёбӣ мекунад.

Чаро сардкунии Sys 3 пурра қатъ шуд?

Бо баланд шудани T_s фишори пасӣ дар баромади эжектор зиёд мешавад. Вақте таносуби фишори пасӣ аз арзиши критикӣ мегузарад, мавҷи зарбаи муқаррарӣ дар камераи омехта ба самти гулӯгоҳи сопло ҳаракат мекунад. Минтақаи фишори паст, ки дар баромади сопло ҷараёни дуюмдараҷаро мекашад, аз байн меравад.

Вақте T_s аз 309 K гузашт:

• Кашиши ҷараёни дуюмдараҷаи сардкунанда қатъ шуд.
• Иқтидори сардкунӣ ба сифр расид.
• Система ба ORC-и мустақиле табдил ёфт, ки барқи кам истеҳсол мекунад.
• EUF тақрибан ба фоизи 11,2 коҳиш ёфт.

Sys 3 ҳамчунин дар вуруди гармии поён аз 40 kW фишори кофии ҷараёни асосиро ба вуҷуд оварда натавонист ва аз ин рӯ эжекторро кор фармуд карда натавонист.

Чаро Sys 2 устувортар аст?

Дар давраи транскритикии CO₂ ҳарорат ва фишор мисли каҷи тофтаи моеъи органикӣ сахт бо ҳам баста нестанд. Система метавонад ҳангоми тағйири шароити радиатор фишори баромади турбина ва тавассути насос фишори вуруди турбинаро мустақилона танзим кунад.

Барои ҳар арзиши T_s EUF нисбат ба фишори баромади турбина максимум дорад:

• Дар T_s = 150 K фишори оптималии баромад тақрибан 7,0 MPa аст.
• Дар T_s = 280 K фишори оптималии баромад тақрибан ба 9,0 MPa боло меравад.
• Дар T_s = 325 K фишори оптималии баромад тақрибан 11,2 MPa аст.

Дар шароити T_s-и паст, CO₂ дар баромади радиатор дар ҳолати ба моеъи зич монанд қарор дорад ва фишори пасти баромад масрафи насосро маҳдуд мекунад. Бо баланд шудани T_s, CO₂ дар фишори паст ба ҳолати газмонанд мегузарад, ҳаҷми хос ва масрафи насос зиёд мешаванд. Баланд кардани фишори баромад зичии моеъро зиёд карда, кори насосро маҳдуд мекунад.

Механизми танзими ду фишор чист?

Дар саҳифаи 47-уми таҳқиқот Шакли 16 нишон медиҳад, ки дар рӯзи Моҳ ду фишор якҷоя тағйир дода мешаванд:

• Фишори вуруди турбина тақрибан аз 19,5 MPa ба 30 MPa боло меравад.
• Фишори баромади турбина тақрибан аз 6,5 MPa ба 11,2 MPa боло меравад.

Баланд кардани фишори баромад зичии CO₂-ро зиёд карда, масрафи насосро назорат мекунад, баланд кардани фишори вуруд бошад потенсиали фишорро пеш аз турбина зиёд мекунад. Ҳамин тавр як қисми таносуби васеъшавии аз сабаби баланд шудани фишори баромад гумшуда барқарор мешавад.

Ҳангоми боло рафтани T_s аз 90 K ба 325 K:

Гарчанде масрафи насос ва компрессор ба таври назаррас зиёд шуданд, афзоиши қувваи турбина қисми зиёди ин борҳоро пӯшонд. Аз ин рӯ, қувваи соф ва сардкунӣ пурра фурӯ нарафтанд.

Ҳангоми тағйири бори вазифа кадом система чандиртар аст?

Таҳқиқот таносуби иқтидори сардкунӣ ба қувваи софи барқро чунин таъриф кардааст:

\[ CPR= \frac{Q_{\mathrm{cool}}} {W_{\mathrm{net}}} \]

CPR-и паст режими вазифаи барқ-авлавият ва CPR-и баланд режими вазифаи сардкунӣ-авлавиятро ифода мекунад.

Диапазони CPR-и Sys 2 нисбат ба Sys 1 тақрибан 1,9 маротиба васеътар аст. Геометрияи собити соплои Sys 3 интиқоли импулс байни ҷараёни асосӣ ва ҷараёни кашидашударо ба нуқтаи танги корӣ мебандад.

Натиҷаҳои қавитарини таҳқиқот кадомҳоянд?

• Ҳафт топологияи муттаҳиди қувва–сардкуниро дар як шароити сарҳадии Моҳ муқоиса мекунад.
• Интихоби моеъи кориро на танҳо ба самаранокии давра, балки ба ҷараёни ҳаҷмии турбина, фишор ва майдони таҷҳизот пайваст мекунад.
• Нишон медиҳад, ки барои ҳар механизми пайвастшавӣ моеъи гуногун интихоб кардан лозим аст.
• Самаранокии термодинамикиро якҷоя бо майдони радиатор ва ивазкунандаи гармӣ арзёбӣ мекунад.
• Бо муқоисаи моделҳои зерсистема бо натиҷаҳои нашршуда инҳирофҳои дар диапазони фоизи 0,052–3,57-ро гузориш медиҳад.
• Нишон медиҳад, ки системаи ORC–VCR, ки дар нуқтаи тарҳрезӣ бартаридошта менамояд, дар T_s-и баланд ҷиддан заиф мешавад.
• Ҳади физикии кори системаи эжекториро болотар аз 309 K равшан нишон медиҳад.
• Механизми танзими ду фишорро дар системаи транскритикии CO₂ бо каҷҳои фишор, қувва ва сардкунӣ шарҳ медиҳад.
• На танҳо системаи дорои баландтарин самаранокӣ, балки системаи устувортаринро дар тамоми рӯзи Моҳ интихоб мекунад.

Маҳдудиятҳои асосии таҳқиқот кадомҳоянд?

• Таҳқиқот preprint-и аз тақризи ҳамсолон нагузашта аст.
• Натиҷаҳо бо прототипи таҷрибавӣ, санҷиши ҳалқаи таҷҳизот ё додаҳои миссияи Моҳ тасдиқ нашудаанд.
• Таҳлили нимустувор динамикаи воқеии вобаста ба вақти гузаришҳои ҳарорат ва фишорро дар бар намегирад.
• Сенсорҳо, клапанҳо, актуаторҳо, таъхирҳо ва устувории алгоритми назорат модел нашудаанд.
• Талафоти гармӣ ва пастшавии фишори қубурҳо сарфи назар шудаанд.
• Самаранокии изентропии турбина, компрессор ва насосҳо дар тамоми доираи корӣ собит қабул шудааст.
• Фарз шудааст, ки ивазкунандаҳои гармӣ интиқоли фаврӣ ва кофии гармиро таъмин мекунанд.
• Массаи воқеии таҷҳизот ҳисоб нашудааст; SRA ва SHEA ҳамчун нишондиҳандаҳои ивазкунандаи майдонӣ истифода шудаанд.
• Ғафсии девор, зичии мавод, массаи турбина, массаи насос, қубурҳо ва такягоҳҳои сохторӣ ба массаи умумии система табдил дода нашудаанд.
• Фарз шудааст, ки нигоҳдории гармии тағйирёбии фаза дар тамоми рӯз вуруди собити 100 kW медиҳад; маводи нигоҳдорӣ, иқтидор, самаранокӣ ва массаи он андозагирӣ нашудаанд.
• Таҳлили асосии берун аз нуқтаи тарҳрезии таҳқиқот шаби Моҳро фаро намегирад.
• Тағйири хусусиятҳои ҷабб ва шуоъафкании радиатор бо мурури вақт аз сабаби чанги Моҳ ба ҳисоб гирифта нашудааст.
• Радиатсияи кайҳонӣ, вайроншавии моеъ, ихроҷ, герметикӣ ва мутобиқати дарозмуддати мавод омӯхта нашудаанд.
• Ҷудошавии ҷараёнҳои дуфазагӣ дар ҷозибаи паст, идоракунии равған ва тақсимоти моеъ ба таври муфассал модел нашудаанд.
• Барои эжектор модели якандозаи омехташавии фишори доимӣ истифода шудааст; сохтори сеченакаи зарба ва талафоти часпак ҳал нашудаанд.
• Дар давраи NH₃–H₂O rectification-и идеалӣ қабул шудааст.
• Равшан гуфта нашудааст, ки хосиятҳои термодинамикӣ аз кадом нармафзор ё пойгоҳи дода гирифта шудаанд.
• Номуайянии параметрҳо, таҳлили ҳассосият ё паҳншавии номуайянии Monte Carlo пешниҳод нашудааст.
• Азбаски таърифҳои COP ба шаклҳои гуногуни энергияи ҳаракатдиҳанда асос меёбанд, арзишҳои VCR, ERC ва AR нишондиҳандаҳои комилан баробар нестанд.
• Ҳароратҳои максималии ORC ва давраҳои CO₂ гуногунанд; ин ҳолат метавонад ба муқоисаи эксергия таъсир расонад.

Таҳқиқот чиро дастгирӣ мекунад?

• Дастгирӣ мекунад, ки тарҳрезии системаҳои қувва ва сардкунии пойгоҳи Моҳ дар як занҷири умумии энергия метавонад фоидаовар бошад.
• Нишон медиҳад, ки дар ҳарорати пасти сарҳадии радиатор системаи ORC–VCR метавонад самаранокии баланди сардкунӣ диҳад.
• Нишон медиҳад, ки системаи эжектории ORC бо қисмҳои ҳаракаткунандаи кам метавонад қувваи софи барқи баланд истеҳсол кунад.
• Нишон медиҳад, ки давраи транскритикии CO₂ барои танзими фаъоли фишор дар диапазони васеи ҳарорат мувофиқ аст.
• Нишон медиҳад, ки баландтарин самаранокӣ дар нуқтаи тарҳрезӣ маънои устувортарин тарҳ дар тамоми рӯзи Моҳро надорад.
• Нишон медиҳад, ки R600a барои ORC–VCR-и механикӣ пайвастшуда ва R1233zd барои системаҳои ORC-и эжекторӣ ва бо гармӣ пайвастшуда вариантҳои мутавозинтаранд.
• Нишон медиҳад, ки системаҳои абсорбсионӣ ҳангоми кам кардани майдони радиатор метавонанд майдони умумии ивазкунандаи гармиро зиёд кунанд.
• Натиҷаҳои ададиеро пешниҳод мекунад, ки нишон медиҳанд Sys 2 метавонад дар диапазони 90–325 K барқ ва сардкуниро бефосила таъмин кунад.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

• Исбот намекунад, ки системаи tRC–VCR дар пойгоҳи воқеии Моҳ ҳатман камтарин массаи умумиро дорад.
• Нишон намедиҳад, ки назорати дуфишории пешниҳодшуда дар таҷҳизоти воқеӣ устувор ва боэътимод кор мекунад.
• Исбот намекунад, ки нигоҳдории тағйирёбии фаза метавонад дар тамоми рӯзи Моҳ бо массаи қобили қабул 100 kW гармии собит таъмин кунад.
• Кори бефосиларо дар шаби Моҳ нишон намедиҳад.
• Нишон намедиҳад, ки радиаторҳо дар зери чанги Моҳ, пиршавии сатҳ ва таъсири микрометеоритҳо ҳамон самаранокиро нигоҳ медоранд.
• Бехатарии дарозмуддати R600a ва R1233zd-ро дар муҳити кайҳонӣ ба таври таҷрибавӣ тасдиқ намекунад.
• Нишон намедиҳад, ки ҳади 309 K-и эжектор барои ҳамаи геометрияҳо ва миқёсҳо бетағйир аст.
• Нишон намедиҳад, ки нишондиҳандаҳои майдон мустақиман ба массаи воқеии система ё арзиши парвоз баробаранд.
• Тасдиқи зерсистемаҳо маънои тасдиқи таҷрибавии системаи муттаҳиди пойгоҳи Моҳро надорад.

Аз нуқтаи назари Туркия арзиши илмӣ ва муҳандисӣ чист?

Таҳқиқот барои пажӯҳишҳои системаҳои кайҳонӣ, давраҳои термодинамикӣ, назорати радиативии гармӣ ва системаҳои хурди модулии энергетикӣ дар Туркия чаҳорчӯбаи методии татбиқшаванда пешниҳод мекунад. Равиши муқоисавие, ки махсус барои пойгоҳи Моҳ таҳия шудааст, метавонад барои платформаҳои баландбаландӣ, моҳвораҳо, дастгоҳҳои фазои амиқ, истгоҳҳои тадқиқотии қутбӣ ва системаҳои мустақили энергия–сардкунӣ мутобиқ карда шавад.

Муҳимтарин дарси методӣ ин аст, ки интихоби система танҳо аз рӯи самаранокии нуқтаи тарҳрезӣ кофӣ нест. Дар таҷҳизоти кайҳонии дар Туркия таҳияшаванда низ моеъи корӣ, рафтори бори қисмӣ, ҳудудҳои ҳарорат, майдони радиатор, ҳаҷми таҷҳизот ва чандирии назорат бояд дар як оптимизатсия якҷоя арзёбӣ шаванд.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

Ҷараёни усули таҳқиқот

Натиҷаҳои интихоби моеъи корӣ

Хулосаи муқоисаи нуқтаи тарҳрезӣ

Натиҷаҳои берун аз нуқтаи тарҳрезии рӯзи Моҳ

Интихоби ниҳоии система

Дар зери меъёрҳои арзёбии худи таҳқиқот Sys 2, яъне системае, ки дар он давраи транскритикии CO₂ Rankine бо сардкунии фишурдани буғ ба таври механикӣ пайваст шудааст, конфигуратсияи бартаридошта барои рӯзи Моҳ мебошад.

Ин интихоб на ба баландтарин EUF дар нуқтаи тарҳрезӣ, балки ба маҷмӯи хусусиятҳои зерин асос ёфтааст:

• кори бефосила дар диапазони 90–325 K,
• дар 325 K EUF-и фоизи 58,5,
• нигоҳ доштани иқтидори сардкунии 47,5 kW,
• диапазони танзими бори вазифа байни 0,1–4,5,
• самаранокии баланди эксергия,
• ихчамии таҷҳизот аз сабаби зичии баланди CO₂,
• имкони ҷудогона танзим кардани фишорҳои вуруд ва баромади турбина.

Ин натиҷа бояд на ҳамчун интихоби қатъии системаи воқеии пойгоҳи Моҳ, балки ҳамчун номзади мувофиқтарин дар доираи ҳудудҳои идеализатсияшудаи термодинамикӣ ва нишондиҳандаҳои ихчамии майдонӣ арзёбӣ шавад.

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот:Configuration Selection and Lunar Daytime Off-design Evaluation of Power Generation-Refrigeration Coupled Systems for Lunar Bases

Муаллифон ва тартиб: Zhijie Liu, Cong Wang, Lei Lang, Jiang Qin ва Penghao Duan.

Муаллифи якуми баробар: Маълумоти саҳми баробар ё муаллифии якуми баробар зикр нашудааст.

Муаллифи масъул: Cong Wang. Дар таҳқиқот суроғаи иртиботӣ congwang@hit.edu.cn дода шудааст.

Пайвандҳои муассисавӣ:

• Zhijie Liu, Cong Wang ва Lei Lang: School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Чин.
• Jiang Qin: Harbin Institute of Technology; School of Power and Energy, Nanchang Hangkong University; Chongqing Research Institute, Harbin Institute of Technology.
• Penghao Duan: Department of Mechanical Engineering, University of Hong Kong, Hong Kong, Чин.

DOI:10.2139/ssrn.6985295.

Маҷалла: Нашри таҳқиқот дар маҷаллаи тақризшуда тасдиқ нашудааст.

Платформаи нашр: SSRN.

Ношири аслӣ: Ношири ниҳоии тақризшуда вуҷуд надорад. Сабти SSRN сабти платформаи таҳқиқоти барвақт/preprint мебошад.

Соли нашр: 2026. Дар матни баррасишуда рӯзи дақиқи нашр нишон дода нашудааст.

Навъи манбаъ: Preprint-и муҳандисӣ, ки моделсозии системаи термодинамикӣ, тасдиқи зерсистема, скрининги моеъи корӣ, муқоисаи параметрӣ ва таҳлили нимустувори берун аз нуқтаи тарҳрезиро дар бар мегирад.

Ҳолати тақриз: Таҳқиқот аз тақризи ҳамсолон нагузаштааст. Дар ҳар саҳифа огоҳии “Preprint not peer reviewed” мавҷуд аст.

Пайванди расмии нашр:Сабти таҳқиқоти SSRN.

Маблағгузорӣ: Таҳқиқот дастгирии лоиҳаи YE Qisun’ Science Foundation бо рақами U2341276 ва барномаи Бунёди миллии илмҳои табиии Чин бо рақами 52406010-ро гузориш медиҳад.

Ин шарҳи туркӣ бо баррасии пурраи матн, муодилаҳо, схемаҳои система, ҷадвалҳои моеъҳои корӣ, графикҳои тасдиқ, муқоисаҳои нуқтаи тарҳрезӣ, каҷҳои самаранокии рӯзи Моҳ, доираҳои корӣ, натиҷаҳои танзими ду фишор ва рӯйхати манбаъҳои таҳқиқот аз оғоз то анҷом омода шудааст. Ба натиҷаҳои илмӣ аз манбаъҳои беруна бозёфти нав илова нашудааст. Тасдиқи беруна танҳо барои санҷиши унвон, муаллифон, DOI ва идентификатори сабти SSRN истифода шудааст.

Таҳқиқот ба ҷойи санҷишҳои таҷҳизоти воқеӣ ба моделҳои тасдиқшудаи зерсистема ва симулятсияҳои ададӣ асос меёбад. Пастшавии фишор, талафоти гармӣ, динамикаи гузариш, таҷҳизоти воқеии назорат, чанги Моҳ, радиатсия, ҷараёни дуфазагӣ дар микрогравитатсия ва массаи нигоҳдории тағйирёбии фаза ҳисоб нашудаанд. Арзишҳои SRA ва SHEA ченаки мустақими массаи воқеии система нестанд, балки нишондиҳандаҳои ихчамии майдонӣ мебошанд. Аз ин рӯ, натиҷаи tRC–VCR роҳи ниҳоии дар пойгоҳи Моҳ дар саҳро тасдиқшуда нест, балки номзади ададиест, ки барои таҳқиқоти минбаъдаи прототип ва ҳалқаи таҷҳизот авлавият доданаш тавсия мешавад.