بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

بررسی تاثیرات دما و فشار منابع گرمایی و ویژگی های سیال عامل بر روی بازدهی و کار خالص خروجی سیکل ارگانیک رانکین
چکیده
محدودیت منابع انرژی در صنعت و اتلاف بخش وسیعی از این منابع در نیروگاه ها و موتورهای احتراق داخلی و همچنین ایجاد مشکلات زیست محیطی ، و از طرفی وجود منابع وسیع انرژی های تجدید پذیر ، استفاده از چرخه های ارگانیک رانکین را به منظور کاهش استفاده از سوخت های فسیلی و همچنین افزایش بازدهی چرخه های تولید انرژی مورد توجه قرار داده است. در پژوهش حاضر با قرار دادن 12 سیال کاری متفاوت( خشک، مرطوب و ایزنتروپیک) در یک سیکل رانکین فرضی با شرایط مشخص و با در نظر گرفتن خواص متفاوت سیال ، بهینه سازی چرخه مورد بررسی قرار گرفته و بازدهی و کار خالص خروجی بدست آمده است. نتایج بدست آمده حاکی از این است که پارامترهایی مانند گرمای نهان، چگالی، گرمای ویژه و مهمتر از همه، نوع سیال کاری در مقادیر کار خروجی و بازدهی، تاثیر زیادی دارد. سیالات R141b با 19.2 وR123 با 17.9 درصد دارای بالاترین بازدهی و ایزوپنتان وR600 به ترتیب با 97.4 و 76.4 کیلو وات دارای کار خروجی بیشتری در شرایط دمایی متناظر و در دسترس هستند. همچنین R142b و R245fa با بازه های دمایی کارکرد((60-130 و((70-150 درجه سانتیگراد دارای محدوده ی وسیع تر و دسترس پذیرتر دمایی هستند.


.1 مقدمه
از آنجا که انرژی یکی از مهمترین شاخصه های پیشرفت اقتصادی و صنعتی هر کشور است و سرعت افزایش مصرف انرژی در تمامی کشورها به ویژه کشورهای در حال رشد و صنعتی به طور روز افزون در حال افزایش است، در نتیجه یافتن راه حلی برای افزایش بازدهی چرخه های تولید انرژی، بازیابی انرژی اتلافی در صنایع مختلف ازجمله نیروگاه ها و همچنین استفاده ی بهینه از منابع انرژی تجدیدپذیر که به طور گسترده در جهان پیرامون ما موجود است، به طور همه جانبه و مداوم در حال بررسی می باشد.از طرفی افزایش تولید و مصرف انرژی در نقاط مختلف جهان علاوه بر هزینه های مستقیم اقتصادی، دارای هزینه های غیر مستقیم که عمدتا ناشی از آلودگی های زیست محیطی می باشد نیز هست. در نتیجه راه حل علاوه بر افزایش بازدهی چرخه های تولید انرژی باید متضمن کاهش استفاده از سوخت های فسیلیو متعاقباً کاهش آلودگی های زیست محیطی باشد.استفاده ی بیش از حد از منابع انرژی سنتی به طور مستقیم موجب افزایش گازهای گلخانه ای و در نتیجه گرمایش زمین خواهد شد. که این امر در کنار آلودگی های آب و هوا، به طور روز افزون زندگی انسان ها را با مخاطرات و چالش هایی روبه رو کرده است.
انرژی که در فرآیند تولید برق در نیروگاه ها به طور مستقیم اتلاف می شود، بسیار قابل توجه و بـه طـور متوسـط حـداقل چیزی حدود 60 درصد از کل انرژی سوخت مورد استفاده است که البته این میـزان بـرا ی هـر یـک از چرخـه هـای مـورد استفاده در نیروگاه ها متفاوت است. از طرفی مواردی همچون نوع ساخت نیروگاه، مواد مورد استفاده، قدمت سـاخت، نـوع طراحی و مکان بهره برداری از جمله عواملی هستند که در بازدهی و کارآیی نیروگاه نقش به سزایی دارند.موتورهای احتراق داخلی نیز که یکی از وسایل پر مصرف سوخت های فسیلی هستند، در کشورهای گوناگون سهم به سزایی از مصرف انـرژ ی را شامل می شوند. دانستن این نکته که چیزی حدود 35 درصد انرژی حاصل از سوخت های فسـیلی بـه طـور مسـتقیم از طریق گازهای داغ خروجی اگزوز هدر می رود، محققان را به فکر بازیابی بخشی از این انرژی ها انداخته است.
استفاده از منابع گرمایی تجدید پذیر که به طور گسترده اطراف ما وجود دارند، مستلزم استفاده از روش های نـوینی اسـت که علاوه بر امکان بهره گیری از این منابع شرایط دریافت بازدهی مطلوب را نیز ایجاد کند. منـابعی همچـون انـرژی زمـین گرمایی که در نقاط متفاوت کره ی زمین موجود است و در هر نقطه دارای شرایط خاص و گوناگونی از جمله دمای منبع و میزان انرژی در دسترس است، باروش های متفاوتی مورد استفاده قرار می گیرند که هر کدام دارایمیزان بـازدهی متفـاوتی است. این موضوع در مورد انرژی خورشیدی نیز صادق است.یکی از راه های افزایش بازدهی چرخه های تولیـد انـرژی و یـا استفاده ی بهینه از منابع انرژی تجدید پذیر مانند انرژی خورشـیدی و زمـین گرمـایی، اسـتفاده از چرخـه هـای ارگانیـک رانکین می باشد.
این نوع از چرخه های تولید قدرت به دلیل استفاده از سیالات ارگانیک که به طور طبیعی دارای نقطه جوش پایین هستند برای استحصال قدرت از منابع انرژی کم دما نظیر اتلافات حرارتی و منابع انرژی تجدید پذیر بسیار مناسب می باشند.
در سال های اخیر پژوهشگران زیادی بر روی سیکل ارگانیک رانکین، شرایط، کاربردها و پارامتر های مرتبط با آن تحقیقات خود را انجام داده اند.گروهی از محققان به بررسی تاثیر پارامترهای فیزیکی و ترمودینامیکی سیالات عامل بر روی عملکـرد چرخه پرداخته اند، گروهی تحقیقات خود را معطوف به تاثیرات انواع متفاوت منابع گرمایی نظیر انرژی خورشـیدی، زمـین گرمایی، اتلافات موتورهای احتراق داخلی و ... کرده اند، برخی با تمرکز بر روی فرآیندها به بررسی فرآیندهایی نظیـر فـوق گرمایش بر بازدهی نهایی چرخه پرداخته اند، برخی نیز عملکرد سیالات مختلف در چرخه های زیر بحرانی و فرا بحرانیـرا بررسی کرده اند، گروهی نیز با انجام محاسبات عددی و نرم افزاری به بهینه سازی پارامتر های مختلف نظیر دمای تبخیر و .... پرداخته اند. هووا تیانو همکاران[1]با در نظر گرفتن یک موتور احتراق داخلی دیزل با پارامترهای کـاملا مشـخص و بـا استفاده از 20 سیال کاری با نقطه ی جوش بین - 51.6 تا 32 درجه ، سعی بر بازیابی انرژی گرمایی اتلافی داشـته انـد کـه در نهایت نتایج آزمایشات آنها نشان دهنده ی این موضوع است که R245faو R141bو R123 با بازدهی بین 13.3 تـا 16.6 درصد و کار خروجی بین49 تا 60 کیلو وات مطلوب ترین سیالات برای بازیابی انرژی اتلافی این موتور مـی باشـد.چاو هی و همکاران [2][3]بر اساس تئوری های ترمودینامیکی و مبنا قرار دادن کار خالص خروجی چرخه ی رانکـین ، دمـای بهینه ی تبخیر را برای 22 سیال کاری ارگانیک بدست آورده و سپس با استفاده از روش تقریـب درجـه دوم در نـرم افـزار محاسباتی EES به برسی صحت نتـایج پرداختـه و در نهایـت بـا تفسـیر خروجـی هـای حاصـل پرداختـه انـد. تـورس و همکاران[9]به برسی نحوه ی استفاده از ORC ها برای نمک گیری پرداخته اند.
در مقاله ی حاضر با ارائه ی یک روش که بر مبنای شبیه سازی سیکل ارگانیک رانکین بنا شده است، با بررسی 12 سیال کاری متفاوت( خشک، مرطوب و ایزنتروپیک) با ویژگی های گوناگون و قرار دادن این سیالات در شرایطی دمایی و فشاری مختلف، به معرفی بهینه ترین سیالات برای استفاده در شرایط دمایی دلخواه برای رسیدن به بیشترین بازدهی و کار خالص خروجی خواهیم پرداخت. در ادامه به ترتیب شرایط و روش های اجرای تحقیق را توضیحخواهیم داد. سپس با ارائه ی خروجی ها به صورت جدول و نمودار به طور تفصیلی به تحلیل نتایج پرداخته شده است و هر کدام از شرایط و خروجی ها را به طور کاربردی تفسیرخواهیم کرد. و در نهایت با در نظر گرفتن نتایج حاصل از آزمایشات و تحقیقات ، به ارائه ییک جمع بندی کلیو نتیجه گیری نهایی می پردازیم.

.2 سیستم و مشخصات آن
همانطور که در شکل شماره (1) نشان داده شده است، سیستم از یک منبع گرم ( هوای داغ عبوری) ، منبع سرد (هوا با دمای محیط) ، اواپراتور، توربین، پمپ و کندانسور تشکیل شده است. شکل (1) نشان دهنده ی شماتیک کلی چرخه و شکل (2) نمایانگر نمودار T-S فرآیندهای واقع شده در چرخه می باشد.

شکل .1 شماتیک کلی سیکل رانکین


شکل.2نمودار دما-آنتروپی سیکل رانکین
سیال عامل که در حالت 3 به شکل مایع اشباع می باشد توسط پمپ به فشار مورد نظر در حالت 4 رسیده و وارد اواپراتور می شود. در اواپراتور با تبادل گرمایی با منبع گرم به صورت بخار اشباع یا داغ خارج شده و برای انجام کار وارد توربین می شود. پس از خروج از توربین در حالت 2 ، با ورود به کندانسور و تبادل گرمایی با منبع سرد ، به حالت اولیه برگشته و چرخه از ابتدا شروع می شود.از آنجا که در حالت واقعی فرآیند های پمپ و توربین به صورت آنتروپی ثابت انجام نمی شود 1-2s ) ، (3-4s با در نظر گرفتن بازدهی آیزنتروپیک برای پمپ و توربین، فرآیندهای آنها به شکل واقعی در آمده 1-2) ، ( 3- 4 و در نمودار T-S قابل ملاحظه است. منابع گرم و سرد در این آزمایشات دارای ماده ی عامل هوا با دبی جرمی 5 کیلوگرم بر ثانیه، فشار 100 کیلو پاسکال و دما به عنوان متغیر انتخابی هستند.
سیالات مورد مطالعه عبارتند از R11 ، R12، R134a، R123، R141b، R142b ،R600 ،R114، R124 ،R245fa، ایزوپنتان و ایزو بوتان.

.3 فرضیات و معادلات حاکم بر مساله
در این آزمایش حالت پایدار در نظر گرفته شده است و همچنین افت فشار در اواپراتور ، کندانسور و تمامی لوله ها و اتصالات ناچیز و قابل صرف نظر کردن است. اجزا در صورت نیاز به صورت آدیاباتیک در نظر گرفته می شوند.بازدهی آیزنتروپیک پمپ و توربین در تمامی طول فرآیند ثابت و برابر با 0.8 در نظر گرفته شده است.

همچنین از تغییرات انرژی پتانسیل و جنبشی چشم پوشی شده است.اختلاف دمای بین منابع دمایی و اواپراتور و کندانسور 5 درجه در نظر گرفته شده است.
.4 روش انجام محاسبات
محاسبات بر روی سیالات کاری در سه مرحله ی متفاوت صورت گرفته است که در ادامه هر کدام از این مراحل را به صورت جزیی توضیح خواهیم داد . در مرحله ی ابتدایی با تغییر دمای منبع گرم به عنوان متغیر اصلی برای هر کدام از سیالات کاری، محدوده ی دمایی عملکرد قبل از ورود به ناحیه فوق بحرانی و در حالت بخار اشباع یا داغ، برای هر کدام از آنها مشخص شده است. سپس در این محدوده ی دمایی بازدهی و کار خالص خروجی برای هر سیال در فواصل دمایی 10 درجه ای به دست آمده است. حاصل این مرحله به صورت جداول و نمودار هایی در ادامه تشریح خواهند شد.
در مرحله ی دوم آزمایشات با مبنا قرار دادن ماکزیمم دمای کارکرد هر یک از سیالات که طبعتاًی موجب ماکزیمم بازدهی و کار خالص خروجی می شود، با اعمال تغییرات بر روی دمای منبع سرد ( در کندانسور ) در فواصل 5 درجه ای، بار دیگر بازدهی و کار خروجی هر یک از سیالات کاری محاسبه شده تا بتوان به ماکزیمم پارامترهای مورد نظر قابل دسترسی برای هر کدام از سیال های عامل در شرایط قبل از ورود به ناحیهی بحرانی دست یافت. در این مرحله دمای کندانسور از 15 تا 40 درجه ی سانتیگراد تغییر می کند و حاصل خروجی ها در جداول و نمودار های قابل تشریح بیان خواهد شد.
در مرحله ی نهایی با مد نظر قرار دادن یک دمای کارکرد ثابت برای تمامی سیالات در اواپراتور و کندانسور، با اعمال تغییرات فشار به محاسبه ی ماکزیمم بازدهی و کار خروجی برای هر کدام از سیالات تحت آزمایش پرداخته ایم تا خروجی ها به صورت ملموس و قابل فهم برای یک شرایط خاص و ثابت برای تمام سیالات قابل بیان باشد و توانایی تعمیم نتایج به سایر دماها را نیز داشته باشیم. در بخش بعدی به ارائه ی نتایج حاصل از این تحقیق خواهیم پرداخت.

.5 معادلات حاکم

Qevp مقدار گرمای منتقل شده به اوپراتور میباشد که در آن Cph ضریب گرمای ویژه در فشار ثابت برای هوای داغ عبوری در منبع گرم mh دبی جرمی عبوری در منبع گرم همچنین T5 و T6 به ترتیب دمای ورودی و خروجی هوای داغ در منبع گرم می باشد. mwf نیز در تمامی معادلات حاکی از جریان سیال عامل سیکل می باشد و در نهایت h1 و h4 به ترتیب نشان دهنده آنتالپی ورودی به اکسپاندر و خروجی از پمپ می باشد.

WT که کار تولید شده توسط توربین در حالت واقعی میباشد.و مولفه های آن h2 بیانگر آنتالپی ورودی به کندانسور به صورت آنتروپی ثابت و h2 s آنتالپی ورودی به کندانسور در حالتی است که آنتروپی ثابت فرض نشده است و gنشان دهنده بازده توربین و در نهایت sبازده آیزنتروپیک توربین می باشد.

WP نشان دهنده کار مصرفی توسط توربین است و مولفه های آن h4 بیانگر آنتالپی خروجی از پمپ به صورت آنتروپی ثابت و h4 s آنتالپی خروجی به پمپ در حالتی است که آنتروپی ثابت فرض نشده است و h3 آنتالپی ورودی به پمپ می باشد.و در آخر p نشان دهنده بازده آیزنتروپیک پمپ می باشد.

که در این معادله Wnet نشان دهنده کار خالص خروجی می باشد.

thبیانگر بازده کل چرخه میباشد
.6 نتایج
مرحله ی اول: تغییرات دمای منبع گرم
با انجام محاسبات بر روی سیالات مورد آزمایش، بازه ی عملکرد دمایی و مقادیر متناظر بازدهی و کار خالص خروجی برای هر سیال در نمودارهای زیر آورده شده است.نتایج بدست آمده نشان دهنده ی این موضوع است که کوچکترین بازه ی عملکرد دمایی مربوط به R11 می باشد و بعد از آن به ترتیبR12 و R134a قرار دارند. از طرفی همانطور که در نمودار شکل های 1 و 2 مشخص است، سیالات کاریR245fa , ISOPENTANE , R141b , R123 دارای وسیع ترین گستره ی کاری می باشند(نزدیک به 90 درجه). در دسترس ترین گستره ی کاری نیز مربوط به R245fa ISOBUTANE , R142b , R114 است، به این دلیل که در دماهای نسبتا پایین تری بازدهی مناسبی دارند.

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید