بخشی از مقاله
چکیده
بازیافت انرژی یک شیوه مدیریتی در بهرهبرداری کارآمد از منابع انرژی بهمنظوربهرهوری بیشتر می باشد. بخش صنعت با عملکرد بهینه فرآیندهای حرارتی میتواندبهصرفه جویی پایدار و قابلملاحظه انرژی دست یابد. از میان انواع سامانههای انتقال حرارت ، مبدل حرارتی لوله گرمایی[HPHE]1 یکی ازکاراترین سامانههای بازیافت حرارت می باشد.
در این تحقیق ، آنالیز اقتصادی مبدل حرارتی لوله گرمایی بهمنظور بازیافت انرژی از سیستمهای حرارتی با استفاده از روش P1-P2 انجامشده است. تأثیر دمای هوای گرم ورودی به HPHE بر کارایی بهینه و حداکثر ذخیره خالص بررسیشده است. نتایج نشان میدهد که با افزایش دمای هوای گرم ورودی به HPHE کارایی بهینهتقریباً ثابت میماند درحالیکه حداکثر ذخیره خالص بهدستآمده از HPHE افزایش مییابد . در این بررسی با دو برابر کردن دمای هوای ورودی از100 C به C 200 حداکثر ذخیره خالص %61,75 افزایش یافت.
.1مقدمه
مبدلهای حرارتی ساختهشده از لولههای گرمایی یکی از مؤثرترین دستگاهها برای بازیابی انرژی حرارتی اتلافی می باشد
مزیت کاربرد لولههای حرارتی بر دیگر روشهای متداول انتقال حرارت این است که این وسیله میتواند مقادیر عظیمی از حرارت را در یک سطح مقطع کوچک و در طول یک مسافت قابلملاحظه - بدون صرف هیچگونه انرژی کمکی بیرونی - منتقل سازد. علاوه بر آن ساخت و طراحی آسان، قابلیت اطمینان بالا، هزینه تعمیرات و نگهداری پایین، افت دمای کم در طول لوله حرارتی ، کاربرد در محدوده وسیعی از دماها - - 4-3000k و توانایی کنترل و انتقال نرخهای بالای حرارت در دماهای مختلف از دیگر مزیتهای آن به شمار میروند
با توجه به اینکه در صنایع مختلف مقادیر زیادی انرژی به هدر میرود، با استفاده از مبادلهکنهای حرارتی لوله گرمایی مناسب میتوان بخش عمدهای از آن را بازیابی نمود.کلید اصلی در بازیافت حرارت اتلافی این است که بتوان کاربردهای مناسب برای استفاده از این انرژی و همچنین یک وسیله یا روش عملی کمهزینه برای ارتباط دادن هر منبع به کاربردش را پیدا کرد.کاربرد مبادلهکنهای لوله گرمایی از اواسط دهه 1970 تاکنون رشد وسیعی در صنایع مختلف پیداکرده است.
لین و همکاران [2] عملکرد حرارتی HPHE در سیستم بازیابی حرارتی بررسی کردند. مطالعه عددی با استفاده از FLOTHERN برای تعیین بازده سیستم انجام دادند. فنگ و همکاران[3] امکان استفاده از HPHE برای بازیابی انرژی حرارتی اتلافی از اگزوز خودرو مورد مطالعه قراردادند و گرمای بازیافت شده برای کنترل دمای داخل خودرو استفادهشده است. نوعی ومجیدیان[4]عملکرد HPHE برای بازیابی حرارتی در بیمارستانها و آزمایشگاهها بررسی کردند. بااینحال مطالعات آنالیز اقتصادی HPHE برای کاربردهای بازیابی انرژی اتلافی محدود است.
Anandan و همکارش[5] آنالیز اقتصادی HPHE را برای بازیابی حرارت اتلافی در سیستمهای گرمایی با استفاده از روش P1-P2 و -NTU ارائه دادند. علاوه بر این آنالیز اکسرژی HPHE برای بازیابی انرژی اتلافی از سیستمهای گرمایی نیز فرمولبندی کردند.
بهینه سازی بازده و دماهای عملیاتی یک HPHE برای کاربردهای بازیافت انرژی انجامشده است. هدف از این بهینه سازی به دست آوردن حداکثر ذخیره از این سیستم است.بازده HPHE با اندازه و هزینه اولیه آن ارتباط دارد. بنابراین مطالعه میزان توانایی صرفهجویی قبل از نصب سیستمهای بازیافت انرژی امری ضروری است. یک روش عملی برای محاسبه بازده بهینه HPHE که حداکثر ذخیره از آن حاصل گردد، روش P1-P2 است که برای بهینهسازی اندازه HPHE در بازیافت انرژی استفاده میگردد[6] .هدف از این مقاله بهینه سازی اقتصادی HPHE به منظور کاربرد در سیستم تهویه مطبوع می باشد.
این مقاله آنالیز اقتصادی با استفاده از روش P1-P2و-NTU انجام داده است. مقدار کارایی بهینه، ذخیره
خالص از بازیافت انرژی و دوره بازپرداخت با مدلسازی ریاضی فرمول بندی ومطالعه میشود.
پارامترهای متغیرمورداستفاده در فرمولاسیون بهینه سازی اقتصادی HPHE در سیستمهای صنعتی عبارتاند از:
-1 هزینه اولیه HPHE بر واحد سطح انتقال حرارت
-2 قیمت انرژی
-3 قیمت سالیانه انرژی
-4 میزان سود سالیانه
-5 زمان عملیات در سال
-6 میزان حداقل ظرفیت گرمایی
-7 مقدارهای طراحی حداقل و حداکثر دمای سیالات سرد و گرم
-8 ضریب انتقال حرارت کلی HPHE
-9 میزان بازار فروش مجدد و نسبت هزینههای عملیات و تعمیر و نگهداری سالیانه به هزینه اصلی
-2مدلسازی
فرمولاسیون ریاضی برای آنالیز اقتصادی HPHEمورداستفاده در سیستم تهویه مطبوع بررسی شده است. مبدل حرارتی لوله گرمایی سیستم تهویه مطبوع از نوع گاز -مایع است که در آن هوا و آب در دو جهت مخالف به ترتیب بهعنوان سیال گرم و سیال سرد استفادهشده است. .
شکل - 1 - شمای کلی دستگاه HPHE را نشان می دهد.شکل - الف - سیستم مورد استفاده در بازیافت انرژی در سیستم تهویه مطبوع است که شامل دو قسمت بالا و پایین می باشد.قسمت بالا، چگالنده HPHE است که در آن آب سرد با شدت جریان ثابت 0.08Kg/s پمپ می شود. قسمت پایین، تبخیرکننده HPHE است.هوای داغ در کانال پایین دمیده می شود که از روی دسته لوله با سرعت 0.15-0.55Kg/s عبور داده می شود.[7] هر یک از لوله های مورد استفاده در سیستم تهویه مطبوع یک مبدل حرارتی لوله گرمایی می باشد که اجزا این نوع مبدل در شکل ب [8] نشان داده شده است.
شکل -1 شمای کلی دستگاه. الف- HPHEمورد استفاده در سیستم تهویه مطبوع[7] ، - ب - -یک لوله گرمایی استاندارد
مقدار انتقال حرارت HPHE را با استفاده از روش-NTU میتوان از رابطه - 1 - محاسبه نمود.
برای بهترین شرایط عملیاتی یعنی: و برای دو جهت مخالف HPHE می توان نوشت:
دمای هوای سرد و آب گرم خروجی از رابطه - 3 - و - - 4بدست آورد:
با بدست آوردن دماهای خروجی از روابط - 3 - و - 4 - ،معادله انتقال حرارت را می توان به شکل معادله - 5 - باز آرایی کرد هزینه های اولیه HPHE از معادله - 6 - تعیین می شود که CHPHEمقدار کل هزینه اولیه HPHE، CAهزینه اولیه HPHEبر واحد سطح انتقال حرارت و AHPHEسطح انتقال حرارت HPHE می باشد.سطح انتقال حرارت به کمک تعداد واحد انتقال حرارت - NTU - ارزیابی می شود. با توجه به اینکه کارایی مبدل حرارتی لوله گرمایی - - در شرایط عملیاتی جریان ناهمسو با C=1 بیشترین تاثیر دارد ، تابع هزینه اولیه HPHE با معادله - 7 - محاسبه می گردد.
تابع ذخیره خالص برای بازیافت انرژی اتلافی از HPHE را می توان به کمک روش P1-P2 توسط رابطه - 8 - محاسبه می گردد.
