بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، تحلیل اکسرژی سیکل خنک کاری هسته راکتور با استفاده از گاز هلیوم موردمطالعه قرارگرفته است. سیالهای عامل در این مطالعه جهت خنک کاری هسته راکتور، هلیوم و در مبدل حرارتی آب است. اجزاء سیکل بر اساس راندمان انرژی بیشینه سیکل و متغیرهای فشار ورودی به توربین، اختلاف دمای سوپر هیت، بهینهسازی شده است سپس به روش اکسرژی تحلیلشده است، میزان راندمان اکسرژی و افت اکسرژی برای سیکل و تکتک اجزای سیکل محاسبه شده است و تأثیر پارامترهایی نظیر فشار ورودی به توربین، دمای ورودی به توربین، اختلاف دمای سوپر هیت و نسبت تراکم کمپرسور بر بازده حرارتی، بازده قانون دوم، اتلافات اکسرژی و میزان ذخیره انرژی اولیه سیکل بحث شده است.
نتایج حاصل از تحقیق نشان میدهد که اینترکولر، بیشترین راندمان اکسرژی و کمترین افت را در سیکل دارد. همچنین با افزایش فشار ورودی به توربین راندمان سیکل افزایش و میزان اتلافات اکسرژی سیکل کاهش مییابد که منجر به ذخیره شدن هرچه بیشتر انرژی در سیکل شده و قدرت تولیدی سیکل را افزایش میدهد. همچنین افزایش دمای ورودی به توربین اتلافات اکسرژی را در سیکل کاهش میدهد. بهطوریکه بیشترین اتلاف اکسرژی در بین اجزاء سیکل مربوط به هسته راکتور است.
-1 مقدمه
افزایش مصرف سوختهای فسیلی، محدودیت این منابع، ازدیاد روزافزون بهای انرژی، آلودگی زیستمحیطی ناشی از انتشار دیاکسید کربن و گازهای گلخانهای و ... ما را به استفاده بهینه از انرژیهای موجود و صرفهجویی در مصرف انرژی ترغیب میکند. برای استفاده بهینه از انرژی، ارتقافنّاوری تجهیزات مورداستفاده در سامانههای تبدیل انرژی یا اضافه کردن دستگاههای جدید به این سامانهها لازم است، همچنین میتوان از انرژیهای تلفشده در صنایع مختلف، انرژی موجود در گازهای خروجی موتورهای احتراق داخلی، توربینهای گازی، نیروگاهای بخار، انرژی زمینگرمایی و انرژی خورشید استفاده کرد
تولید توزیعشده انرژی الکتریکی یکی از اهدافی است که مدتها موردتوجه بوده است. امروزه با گسترش سامانههای مختلف تولید انرژی الکتریکی در اماکن اداری و یا ساختمانها و مجتمعهای بزرگ و متوسط، روشهای گوناگونی مورداستفاده قرار میگیرد، اما هر روشی دارای مزیتها و معایب مخصوص به خود است. داشتن یک سیستم تولید انرژی قابلاعتماد، کمهزینه و همیشه در دسترس، استفاده از توربینهای گازی را بهعنوان کاندید مهمی معرفی نموده است. توربینهای گازی یکی از مهمترین موضوعات علوم مهندسی به شمار میرود. اگرچه بیشترین ارتباط آن با مهندسی مکانیک است، ولی در مسائل مهندسی برق، نفت، هستهای، شیمی، صنایع هواپیمایی، صنایع نظامی، حملونقل دریایی و زمینی کاربردهای زیادی دارد، لذا فناوری واحدهای گازی و بهبود عملکرد آنها از جایگاه ویژهای برخوردار است
امروزه بخشی از انرژی در نیروگاهها و بخصوص نیروگاههای گازی مصرف میشود که با ارائه راهکارهایی برای افزایش راندمان آنها، میتوانیم استفاده بیشتری از انرژی مصرفی داشته باشیم. یکی از راهها ترکیب آن با سیکلهای دیگر است. بهطوریکه اصلاح راندمان سامانههای مکانیکی هدف تعداد زیادی از مهندسان و دانشمندان است. بهطورمعمول حل این نوع مسائل با تحلیل و بهینهسازی ترمودینامیکی انجام میشود، یکی از روشهای مناسب جهت بهینهسازی سیکلها تلاش برای کاهش اتلاف اکسرژی و افزایش راندمان اکسرژی است
استفاده از گاز هلیوم جهت خنک کاری هسته راکتور موردتوجه بسیاری از محققین در سالهای اخیر بوده است. بهطوریکه در مورداستفاده بهینه از گرمای هدر رفته از هسته راکتور توسط محققان زیادی مورد بررسی قرار گرفته است.
یاری و محمودی - - Yari & Mahmoudi, 2010 جهت بهینه کردن بازده حرارتی سیکل از یک طرح ترکیبی سیکل GT-MHR با سیکل رانکین استفاده کردند و در نتایج حاصل از تحقیق نشان دادند که سیکل ترکیبی باعث افزایش بازده حرارتی سیکل به میزان 3% بیشتر نسبت به سیکل مرجع میباشد.
همچنین در تحقیق مشابه دیگری تاکشیتا و همکاران - - Takeshita, Amano, & Hashizume, 2005 نشان دادند که برای استفاده هرچه بهتر از گرمای هدر رفته از سیکل GT-MHR میتوان سیکل مذکور را با سیکل آب آمونیاک ترکیب کرد. بهطوریکه این طرح باعث صرفهجویی بالای اقتصادی میشود و همچنین منجر به افزایش بازده حرارتی سیکل به میزان %7 میشود. در تحقیقی مشابه و زنگ و لیور - - Na Zhang & Lior, 2007 برای سیکل ترکیبی با GT-MHR طرحی ارائه کردند و با استفاده از تحلیل اکسرژی سیکل نشان دادند که سیکل ترکیبی جدید باعث کاهش %18/2 مصرف انرژی در کل سیکل میشود.
در این تحقیق با استفاده از روش تحلیل اکسرژی به بررسی سیکل GT-MHR و همچنین چگونگی استفاده از حرارت اتلافی، پرداخته میشود به طوری که این مطالعه از گاز هلیوم که خنککننده راکتورهای هستهای است، بهعنوان منبع حرارتی سیکل ساده استفادهشده، علاوه بر اینها این گاز بهعنوان محرک توربین گازی تولید توان نیز استفادهشده است. دیاگرام سیکل موردنظر در شکل 1 نشان دادهشده است.
شکل 1 دیاگرام سیکل موردمطالعه
-2 مدلسازی و تحلیل ترمودینامیکی سیکل
در حالت کلی زمانی که یک منبع انرژی را موردمطالعه قرار میدهیم، اولین کاری که انجام میشود تخمین زدن مقدار انرژی موجود در منبع میباشد. بااینوجود این اطلاعات برای ساختن یک نیروگاه در آن محل کافی نبوده و از ارزش کمی برخوردار است. آنچهواقعاً نیاز به دانستن آن داریم، پتانسیل کاری منبع است، یعنی مقدار کاری که ما میتوانیم بهعنوان کار مفید بگیریم. مابقی انرژی منبع یعنی سهمی که نمیتوان آن را به کار تبدیل نمود
اساساً بهعنوان انرژی زائد دور ریخته میشود و در بررسی ما از ارزشی برخوردار نیست. بنابراین تمایل زیادی به داشتن خاصیتی داریم که به کمک آن بتوانیم پتانسیل کار مفید یک مقدار انرژی دادهشده را در حالت خاص محاسبه نماییم. این خاصیت قابلیت کاردهی میباشد. پتانسیل کاری انرژی موجود در یک حالت خاص سیستم، بهطور ساده ماکزیمم کار مفیدی بوده که از سیستم قابل حصول می-باشد. به یاد داریم که کار انجامشده در طی یک فرایند به حالت اولیه، حالت نهایی و مسیر فرایند بستگی دارد.
