بخشی از مقاله
*** اين فايل شامل تعدادي فرمول مي باشد و در سايت قابل نمايش نيست ***
تحليل جامع اگزرژي يک پمپ حرارتي زمين گرمايي در نيروگاه زمين گرمايي مشکين شهر
چکيده
ما در اين مقاله به بررسي و تحليل جامع اگزرژي يک پمپ حرارتي زمين گرمايي در نيروگاه زمين گرمايي مشکين شهر خواهيم پرداخت .
فرمول ها و تحليل ها براي اتلاف اگزرژي , بازده اگزرژي, نسبت اتلاف اگزرژي, ضريب اتلاف اگزرژي براي تمام اجزا سيستم ارائه شده است . هر دو حالت سرمايش و گرمايش نيز مورد بررسي و تحليل قرار مي گيرد. با توجه به نتايج بايستي کليه اين شاخص ها براي بهبود و بهينه سازي پمپ حرارتي مورد بررسي قرار گيرد. همچنين در نتايج نهايي بيشترين اتلاف اگزرژي , ضريب اتلاف اگزرژي و نسبت اتلاف اگزرژي متلق به کمپرسور است . اين در حاليست که کمترين بازدهي نيز متعلق به همين جز است .
همچنين نتايج نشان دهنده ي اين نکته است که فن کويل , مبدل حرارتي زمين گرمايي و کندانسور(در حالت سرمايش ) ديگر اجزايي هستند که مي توان براي طراحي و بهينه سازي يک پمپ حرارتي با استفاده از منابع موجود ذکر شده مورد استفاده قرار داد.
کلمات کليدي: انرژي زمين گرمايي - پمپ حرارتي – نيروگاه مشکین
١. مقدمه
توجه به انواع انرژي غير وارداتي و متفاوت از سوخت فسيلي نکته اي است که در بسياري از کشورهاي دنيا مبناي برنامه ريزي هاي بلند مدت قرار گرفته است . از سوي ديگر با افزايش بحران آلاينده هاي ناشي از سوختهاي فسيلي ، توجه به فاکتورهاي زيست محيطي توسط ارگانها و نهادهاي بين المللي و نيز توجه برنامه ريزان به استفاده از انرژي تجديدپذير موجب گرديده تا امروزه به اين مباحث با جديت بيشتري پرداخته شود . انرژي زمين گرمايي نيزيکي از منابع انرژيهاي تجديدپذير ميباشد .
اصطلاح زمين گرمايي ترجمه واژه Geothermalاست که ريشه يوناني داشته و از کلمات Geoبه معناي زمين و Thermeبه معني حرارت تشکيل شده است . انرژي زمين گرمايي، انرژي موجود در عمق زمين است که از انرژي خورشيدي که در طول هزاران سال در داخل زمين ذخيره شده و همچنين فروپاشي يا زوال ايزوتوپ هاي اورانيوم راديو اکتيويته ،توريم و پتاسيم در طي ساليان درازدرعمق زمين نشات گرفته است که عمدتا در نواحي زلزله خيز و آتشفشاني جوان و صفحات تکتونيکي زمين متمرکز شده است .
زمين منبع عظيمي از انرژي است بطوريکه حرارت در هسته آن بيش از ٥٠٠٠ درجه سانتيگراد مي رسد حرارت زمين به طرق مختلف از جمله فوران آتشفشان – چشمه هاي ابگرم - ابفشانها- و گلفشانها در اثر کاهش چگالي زمين و خاصيت رسانايي از بخشهايي از زمين به سطح آن هدايت ميشوند. درجه حرارت زمين با توجه به عمق آن به صورت غير خطي زياد ميشود. (با تقريب خطي هر ١٠٠ متر ٣ درجه سانتي گراد) انرژي حرارتي ذخيره شده در ١١ کيلومتر فوقاني پوسته زمين معادل پنجاه هزار برابر کل انرژي به دست آمده از منابع نفت وگاز شناخته شده امروزجهان است . انرژي زمين گرمايي بر خلاف ساير انرژيهاي تجديد پذير محدود به فصل ، زمان وشرايط خاصي نبوده بدون وقفه قابل بهره برداري مي باشد.
همچنين قيمت تمام شده برق در نيروگاههاي زمين گرمايي با برق توليدي از ساير نيروگاههاي متعارف ( فسيلي ) قابل رقابت بوده و حتي از انواع ديگر انرژيهاي نو بمراتب ارزانتر است .
٢,١. تاريخچه ي انرژي زمين گرمايي در ايران :
در ايران از سال ١٣٥٤ مطالعات گسترده اي بمنظور شناسايي پتانسيل هاي منبع انرژي زمين گرمايي توسط وزارت نيرو با همکاري مهندسين مشاور ايتاليايي ENEL در نواحي شمال و شمال غرب ايران در محدوده اي به وسعت ٢٦٠ هزار کيلومتر مربع آغاز گرديد. نتيجه اين تحقيقات مشخص نمود که مناطق سبلان ، دماوند، خوي، ماکو و سهند با مساحتي بالغ بر ٣١ هزار کيلومتر مربع جهت انجام مطالعات تکميلي و بهره برداري از انرژي زمين گرمايي مناسب مي باشند. در همين راستا برنامه اکتشاف ، مشتمل بر بررسيهاي زمين شناسي، ژئوفيزيک و ژئوشيميايي برنامه ريزي شد. در سال ١٣٦١ با پايان يافتن مطالعات اکتشاف مقدماتي در هر يک از مناطق ذکر شده ، نواحي مستعد با دقت بيشتري شناسايي شده و در نتيجه در منطقه سبلان : نواحي مشکين شهر، سرعين و بوشلي، در منطقه دماوند ناحيه : نونال ، در منطقه ماکو- خوي نواحي: سياه چشمه و قطور و در منطقه سهند پنج ناحيه کوچکتر جهت تمرکز فعاليتهاي فاز اکتشاف تکميلي انتخاب شدند. پس از يک وقفه نسبتا طولاني و با هدف فعال نمودن مجدد طرح ، گزارشهاي موجود مجددا در سال ١٣٦٩ توسط کارشناسان UNDP بازنگري شده و منطقه زمين گرمايي مشکين شهر بعنوان اولين اولويت جهت ادامه مطالعات اکتشافي معرفي شد. پيرو مطالعات ذکر شده پروژه انجام حفاري هاي اکتشافي ، تزريقي، توصيفي به منظور شناسايي بيشتر پتانسيل در منطقه سرعين مشکين شهر در سال تعريف ١٣٨١گرديد که عمليات حفر اولين چاه زمين گرمايي نيز در همان سال آغاز گرديد .فاز اول اين پروژه در سال ١٣٨٣ اتمام يافت که درمجموع سه حلقه چاه اکتشافي و دو حلقه چاه تزريقي در اين مرحله حفر گرديد و تست دوحلقه از سه حلقه چاه اکتشافي با موفقيت انجام گرفت که مهم ترين دستاورد اين فاز از پروژه کسب دانش فني مربوط به حفر چاههاي زمين گرمايي بود . فاز دوم اين پروژه در سال ١٣٨٤ آغاز گرديد.
٣,١. توانمندي هاي حاصله در کشور در حوزه انرژي زمين گرمايي : در پروژه توسعه ميدان زمين گرمايي و ساخت نيروگاه مشکين شهر مراحل حفاري چاهها،بهره برداري از چاه ها در دوره تست ،ساخت دستگاههاي مربوط به تست در کشور کاملا بومي شده و توسط متخصصان داخلي به انجام رسيده است . همچنين در زمينه استفاده از پمپ هاي حرارتي زمين گرمايي تا کنون تکنولوژي نصب کويل هاي زميني به صورت کامل و ١٠٠% در کشورمان ايران بومي شده است .
کليدواژه : زمين گرمايي, نيروگاه مشکين شهر
٢. تشريح فرآيندهاي پمپ حرارتي زمين گرمايي
در صورتي که بخواهيم از دماي پايين تر از ٦٠ درجه سانتي گراد منابع زمين گرمايي براي گرمايش استفاده کنيم , بهترين راه استفاده از پمپ هاي حرارتي است . يک پمپ حرارتي مي تواند تهويه ي مطبوع ساليانه يک محيط مسکوني ,تجاري و ... را با فراهم کردن گرمايش در زمستان و سرمايش در تابستان با استفاده از منابع دماي پايين فراهم آورد.
يک پمپ حرارتي زمين گرمايي ,همانطور که در شکل ١ نشان داده شده است از ٣ فرايند اصلي تشکيل مي شود: ١ . انتقال حرارت در مبدل حرارتي زمين گرمايي , اوپراتور و کندانسور ٢ . ترکم در کمپرسور ٣ . خفگي در شير فشار شکن .
شکل (١) نمايش شماتيک يک پمپ حرارتي
١,٢. چرخه ي گرمايش
در چرخه گرمايش محلول آب و ضد يخ يا مبرد ( که براي دريافت گرما از خاک در لوله جريان دارد ) وارد پمپ حرارتي مي شود. در برخي سيستم ها که از آب زير زميني يا چشمه هاي آب گرم استفاده مي کنند , اين سيال وارد مبدل حرارتي زمين گرمايي مي شود و در آنجا گرماي خود را به مبرد مي دهد. (مسير ٧-٨ ).
در اپراتور گرما باعث جوش مبرد ميشود و آن را به بخار تبديل مي کند. شير بازگشت پذير مبرد را در حالت بخار به کمپرسور هدايت مي کند. سپس بخار , فشرده شده و حجم آن کاهش ميابد. اين کاهش حجم باعث افزايش دماي دماي بخار مبرد مي گردد. شير بازگشت پذير بعدي , گاز داغ را به کندانسور هدايت مي کند. جايي که گرماي مبرد به آب يا هوا داده مي شود تا با چرخش در طول سيستم مجراهاي داخلي محيط , گرمايش مورد نياز را تامين کنند.
پس از آنکه مبرد , گرماي خودر ا در کندانسور از دست داد وارد يک شير فشار شکن مي شود که در آن فشار و دما به شدت افت مي کند. پس از آن مبرد دوباره وارد نخستين مبدل حرارتي مي شود تا چرخه را دوباره آغاز کند( مسير ١-٢-٣-٤ ) .
٢,٢. چرخه ي سرمايش چرخه ي سرمايش در واقع معکوس چرخه ي گرمايش است .
در اين حالت جهت جريان مبرد با استفاده از يک شير چهار طرفه تغيير مي يابد. مبرد گرما را از محيط داخلي دريافت , و آن را به اپراتور منتقل مي کند. ( مسير ٥-٦ ). سپس گرما با طي کردن چرخه ي معکوس گرمايش , در کندانسور به بيرون انتقال مي يابد.
٣. معادلات و تحليل هاي اگزرژي
شاخص هاي اگزرژي مهم براي سيستم هاي انرژي شامل پنج شاخص هستند. اين شاخص ها عبارتند از اتلاف اگزرژي ١ نسبت اتلاف اگزرژي ٢ضريب اتلاف اگزرژي٣ بازدهي اگزرژي ٤ و درجه ي کمال ترموديناميکي٥ . در ادامه به تعريف شاخص هاي فوق مي پردازيم :
. اتلاف اگزرژي : اين شاخص از تفاوت اگزرژي ورودي و خروجي يک جز يا کل سيستم به دست مي آيد.
. نسبت اتلاف اگزرژي : اين شاخص بيان گر نسبت اگزرژي از دست رفته يک جز به اگزرژي از دست رفته ي کل سيستم است .
. ضريب اتلاف اگزرژي : اين شاخص نشان دهنده ي نسبت اتلاف اگزرژي يک جز به کل کار ورودي سيستم است .
. بازدهي اگزرژي : بيان گر نسبت اگزرژي خروجي مطلوب به اگزرژي استفاده شده ( کار ورودي ) در جز يا کل سيستم است .
. درجه ي کمال ترموديناميکي : نشان دهنده ي نسبت اگزرژي ورودي يک جز يا کل سيستم است . اين شاخص در واقع , ميزان بازگشت ناپذيري فرآيند انرژي است . اين شاخص هرچه به عدد ١.٠٠ نزديکتر باشد , نشان دهنده ي نزديک تر بودن به فرآيند بازگشت پذير خواهد بود.
١,٣ بررسي شاخص هاي اگزرژي
نرخ از دست رفتن يا اتلاف اگزرژي با معادله ي زير داده ميشود:
که در آن exin∑ و exout∑ به ترتيب , مجموع نرخ اگزرژي ورودي و خروجي در فرآيند مي باشند. بسته به اينکه جهت انتقال حرارت به سيستم چگونه باشد, Q مثبت يا منفي در نظر گرفته مي شود. Win نيز نشانگر کار ورودي به فرآيند است
٣١ ارديبهشت ١٣٩٤، WEC٢٠١٥
بازدهي اگزرژي طي انجام فرآيند موردنظر با معادله ي زير بدست مي ايد:
که در آن Exdes,out اگزرژي خروجي مطلوب و Exused اگزرژي مصرف شده در فرآيند (کار ورودي ) است . مخرج کسر در فرآيند تراکم به شکل Wcom,in در مي آيد که نشان دهنده ي کل کار ورودي به کمپرسور است .
نسبت اتلاف اگزرژي در فرآيند با معادله ي زير داده مي شود:
که در آن ΔExsys نرخ اتلاف اگزرژي کل سيستم است .
ضريب اتلاف اگزرژي نيز از معادله ي زير بدست مي آيد:
که در آن ΔExsys کل کار ورودي سيستم است .
درجه ي کمال ترموديناميکي طي فرآيند از معادله ي زير بدست مي آيد:
که در آن Exout و Exin به ترتيب اگزرژي هاي خروجي و ورودي سيستم طي فرآيند را نشان مي دهند. مقدار در فرآيند انتقال حرارت داراي مقدار صفر مي باشد.
ديگر فرآيند مورد بررسي , فرآيند خفگي است که معادلات آن به شکل مشابه به دست مي آيد.
با توجه به معادلات فوق , شاخص هاي اگزرژي براي اجزا و کل سيستم پمپ حرارتي زمين گرمايي بدست مي آيند. معادلات به دست آمده در جدول هاي (١) تا (٣) آمده است .
به شکل مشابه معادلات کلي محاسبه ي شاخص هاي اگزرژي در پمپ حرارتي زمين گرمايي در حالت سرمايش نيز قابل محاسبه است .
٤. پمپ حرارتي مورد بررسي پمپ حرارتي مورد بررسي در اين مقاله , از آب گرم زمين گرمايي در دمايي ٢٠ درجه ي سانتي گراد استفاده مي کنند. اين منبع از چشمه هاي آب گرم دما پائين که در شهرستان مشکين شهر استان اردبيل در سطح زمين در دسترس مي باشد , تامين مي شود.
شرايط و نتايج محاسبات اوليه و نتايج محاسبه ي اگزرژي پمپ حرارتي زمين گرمايي در جدول هاي (٤) تا (٦) آمده است .
٥. بحث و بررسي
اتلاف اگزرژي, ميزان هدررفت اگزرژي موجود را نشان مي دهد.
اين شاخص , مقداري مطلق است که نمي توان از آن براي محاسبه ي کارآيي مصرف اگزرژي اجزا يا فرآيندهاي مختلف انرژي بهره گرفت . بازدهي اگزرژي, اثر اجزا و کل سيستم پمپ حرارتي زمين گرمايي را نشان مي دهد و با استفاده از آن مي توان به تاثير بهبود کارآيي اجزا و کل سيستم پمپ حرارتي بر روي مقدار مصرف اگزرژي دست يافت . در عين حال , اين شاخص نميتواند نسبت ميان اجزا و کل سيستم پمپ حرارتي زمين گرمايي در اتلاف اگزرژي را نشان دهد, پس با استفاده از آن نمي توان دريافت که کدام جز در سيستم پمپ حرارتي زمين گرمايي مصرف اگزرژي کمتري دارد.
