بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش سیکل مرکب از سیکل توان رانکین و سیکل سرمایش جذبی مورد مطالعه قرار گرفته است، که به وسیله مخلوط دوگانه آب-آمونیاک به عنوان سیال عامل کار میکند، از طرفی توان و تبرید را به طور همزمان و فقط با استفاده از یک منبع حرارتی تولید میکند. در این مطالعه تحلیل پارامتری برای ارزیابی اثرات پارامترهای ترمودینامیکی بر عملکرد سیکل ترکیبی اتخاذ شده است. نتایج حاصل نشان میدهد که دمای سوپرهیتر، فشار ماکزیمم سیکل و غلظت محلول پایه، اثرات عمدهای بر توان خروجی، تبرید خروجی، نرخ هزینه اقتصادی، بازدهی حرارتی و اگزرژی دارند. نتایج نشان داد افزایش دمای سوپرهیتر باعث افزایش توان خروجی، بازده اگزرژی و هزینه اقتصادی و کاهش بازده حرارتی شده است. از طرفی افزایش فشار ماکزیمم سیکل باعث کاهش توان خروجی و هزینه اقتصادی شده است، اما این افزایش فشار باعث شده است که بازده اگزرژی، بازده حرارتی و تبرید خروجی تا فشار تقریبا 30 بار افزایش و پس از آن کاهش یابند. سرانجام افزایش غلظت محلول پایه باعث افزایش توان خروجی و هزینه اقتصادی شده است، اما این افزایش غلظت باعث شده است که بازده اگزرژی، بازدهحرارتی و تبرید خروجی تا غلظت تقریباً 0/55 افزایش و پس از آن کاهش یابند. سپس با استفاده از پارامترهای تصمیمگیری دمای سوپرهیتر، دمای جاذب و غلظت محلول پایه، بهینهسازی سیکل برای دستیابی به حداکثر بازدهی اگزرژی و حداقل هزینه اقتصادی، با الگوریتم ژنتیک انجام شده است. نتایج الگوریتم ژنتیک نشان می-دهد، زمانی که دمای سوپرهیتر 402 کلوین، دمای جاذب 260 کلوین و غلظت محلول پایه 0/54 باشد، سیکل دارای بهینه بازدهی اگزرژی % 74/6 و هزینه اقتصادی 7/394 دلار بر ساعت است.
مقدمه
مهندسین نه تنها باید بر اصول علمی زمینه کاری خود واقف و آگاه باشند بلکه باید بتوانند مسائلی را که با آن مواجه میشوند آنالیز و طراحی کنند، مانند مکانیزم دستگاهها، توربینها، راکتورها، مدارهای الکتریکی و ... ، همچنین مهندسین باید بتوانند سیستمهای مورد نظرشان را با معیارهایی مثل اقتصاد، ایمنی و محیط زیست مورد ارزیابی قرار دهند. این مهارت همزمان نمودن معیارها، جزء اصلی کار مهندسی است. با پیشرفت علم و صنعت چه از نظر حجم و چه از نظر کیفیت ،لزوم استفاده بهینه از امکانات مشخص میشود، زیرا منابع مورد استفاده ما محدود میباشد. یکی از اجزای اساسی بسیاری از صنایع مورد استفاده بشر، عناصر مکانیکی و ترمودینامیکی میباشد. این عناصر نیاز به تحلیل و استفاده بهینه دارند. در این مقاله سعی شده است یکی از سیکلهای مهم که همان سیکل تولید همزمان توان و سرمایش میباشد، مدل-سازی شود. در سالهای اخیر، مقادیر زیادی از حرارت اتلافی در محیط پخش شده است، مانند گازهای خروجی از توربینها و موتورها، و حرارت اتلافی از واحدهای صنعتی، که منجر به آلودگی محیط شدهاند. به علاوه، منابع زمین گرمایی و انرژی خورشیدی فراوانی در جهان وجود دارد. بنابراین خیلی مهم است که بر روی بازیافت این حرارت اتلافی و بکارگیری انرژی های تجدید پذیر برای کاهش مصرف سوختهای فسیلی و حل کردن مسائل محیطی تمرکز نمود. استفاده از مخلوطهای دوگانه مثل آب-آمونیاک یا آب-لیتوم بروماید به جای CFCها میتواند به چالش مسائل گرمایی جهان کمک کند، زیرا این مخلوط ها نه تنها خواص ترموفیزیکی عالی دارند، بلکه ماده سازگار با محیط زیست میباشند.
مخلوط آب-آمونیاک یک مخلوط دوگانه است که تنها دارای خواص ترمو-فیزیکی عالی نیست بلکه یک سازگار با محیط زیست است. همچنین جانشینی برای کربوفلوئوروکربنها در حلنمودن مسئله گرمای جهانی است. ملونی1 و رابرتسون[1] 2 برای اولین بار در اوایل سال 1953 مخلوط آب-آمونیاک را به عنوان سیال عامل در یک سیکل توان جذبی استفاده کردند. اما فرایند چگالش در دمای متغیر، فشار پشت توربین بالاتری ازسیکل رنکین بخاری، نتیجه میداد. فشار بالای پشت توربین برای جلوگیری از نفوذ هوا در سیستمها مناسب بود، اما برای تولید توان و بازدهی سیکل نامساعد بود. کالینا[2] 3 سیکل توانی را ارائه کرد که مخلوط آب-آمونیاک را به عنوان سیال عاملی سیکل تحتانی به کار میگرفت و مسئله فشار پشت توربین بالاتر را بوسیله جایگزین کردن فرایند چگالش با یک فرایند جذبی حل نمود .
سیکل ترکیبی تبرید و توان گرمایی در سال1995 توسط گواسوامی[3] 4 پیشنهاد شده و محققین زیادی بر کارایی سیکل کار کردند.[7-4] این سیکل میتوانست توان خروجی بهتری نسبت به تبرید فراهم کند و از یک چگالش جذبی به جای فرایند چگالش مرسوم استفاده میکرد. یکی از خصوصیات این سیکل آن بود که میتوانست از منبع حرارتی با دماهای زیر 200 درجه سانتی گراد استفاده کند. از آنجایی که این سیکل برای تولید توان در توربین بخار غنی-آمونیاک را به کار میگیرد و پس از خروجی توربین از طریق مبدل حرارتی - کولر - میگذرد و حرارت محسوسی را برای خنک کردن آب انتقال میدهد، تبرید خروجی نسبتا کوچکی دارد. برای تولید تبرید خروجی بزرگتر، سیال باید درکولر تغییر فاز دهد. ژنگ5 و همکارانش [8] سیکل ترکیبی جذبی توان و تبرید را بر پایه سیکل کالینا ارائه کردند. آنها از یکسوکننده که میتوانست بخار آب-آمونیاک با غلظت بیشتری برای تولید تبرید بدهد، استفاده کردند. یک چگالنده و یک تبخیرکننده بین یکسوکننده و جاذب دوم تعبیه شده بود. سیکل آنها با این تغییرات قادر به تولید توان وتبرید بود. لیو و ژنگ[9] 6 چندین سیکل آب-آمونیاک جدید برای تولید همزمان توان و تبرید ارائه کردند. آنها یک واحد جداکننده جاذب را در سیستم ترکیبی توان و تبرید به کار گرفتند. ژنگ و همکارانش [10] سیستم آب-آمونیاک جدیدی را برای تولید همزمان توان و تبرید پیشنهاد کردند و از مخلوط آب-آمونیاک به عنوان سیال عامل استفاده کردند و بازدهی اگزرژی و بازدهی انرژی بالایی برای این سیکلها بدست آوردند.
اگرچه این سیکلها بازدهی بالایی داشتند اما نسبتا پیچیده بودند و به لحاظ سرمایهگذاری، به هزینه بالایی نیاز داشتند. آقای ونگ و همکارانش [11] سیکل ترکیبی توان وتبریدی پیشنهاد کردند که سیکل رنکین و سیکل تبرید جذبی را با هم ترکیب میکرد و با شرایطی که برای آن در نظرگرفته بودند، توانستند بازدهی اگزرژی بالایی برای سیکل پیشنهادیشان بدست بیاورند . پورآقایی و همکاران [12] در سال 2010 سیکل ترکیبی توان و تبرید را از نظر قانون اول ترمودینامیک مورد بررسی قرار دادند، که سیال عامل در سیکل آنها آب -آمونیاک است. از معایب کار آنها میتوان به عدم تحلیل اگزرژی و دقت پایین محاسبات ذکر نمود. واسکویز1 و همکاران [13] در سال 2010 سیکل ترکیبی توان و تبرید را از نظر قانون اول و دوم ترمودینامیک مورد بررسی قرار دادند، که سیال عامل در سیکل آنها نیز آب-آمونیاک بود. از جمله مزایای تحقیق آنها میتوان به بازدهی اگزرژی و توان خروجی مطلوب در مقایسه با سایر سیکلهای موجود اشاره کرد. آرماندو و همکاران[14] 1 در سال 2013 سیکل ترکیبی توان و تبرید را از نظر قانون اول و دوم ترمودینامیک مورد بررسی قرار دادند، که سیال عامل در سیکل آنها نیز آب-آمونیاک بود - کار آنها مشابه مقاله [13] بود - . از جمله مزایای تحقیق آنها میتوان به بازدهی اگزرژی و توان خروجی مطلوب در مقایسه با سایر سیکلهای موجود و بررسی انهدام اگزرژی اشاره کرد و هزینه بالای سیکل طراحی شده بزرگترین عیب تحقیق آنهاست. عابد2 و همکاران [15] در سال 2013 سیکل ترکیبی توان و تبرید را از نظر قانون اول ترمودینامیک مورد بررسی قرار دادند، که سیال عامل در سیکل آنها پروپان-دکان است. آنها سیکل مورد استفاده در مقاله پورآقایی را مورد بررسی قرار دادند و سیال عامل را تغییر دادند که به توان خروجی بالاتر دست یافتند. اما از معایب تحقیق آنها میتوان به عدم تحلیل افتصادی اشاره کرد. منبع خنککنده داخلی یعنی اینکه یکسوکننده - چگالنده - به وسیله اجزای داخلی خود سیکل خنک میشود، اما در منبع خنککننده خارجی این عمل به وسیله یک منبع که در خارج از سیکل قرار دارد، انجام میگردد. در کلیه کارهای انجام شده گذشته، از منبع خنککننده داخلی استفاده شده است، لذا در این مقاله از منبع خنککننده خارجی استفاده شده است و قانون اول در تمام اجزای سیکل مورد بررسی قرار گرفته است. هدف از تحلیل این سیکل دستیابی به بازده حرارتی مناسب و هزینه پایین در مقایسه با سایر سیکلهای موجود است.
.2 تشریح سیکل ترکیبی توان و تبرید مورد مطالعه
سیکل درنظر گرفته شده در این مقاله، ترکیب سیکل توان رنکین و سیکل تبرید جذبی است، که میتوان به طور همزمان توان و تبرید را تولید کند. این سیکل از مخلوط دوگانه آب-آمونیاک به عنوان سیال عامل استفاده میکند. این سیکل میتواند از منابع حرارتی دما پایین مانند انرژی خورشیدی و حرارت زمین گرمایی استفاده کند. شماتیک سیکل مورد بررسی در شکل - 1 - آورده شده است. مطابق شکل - 1 - ، محلول پایه اشباع شده که جاذب را ترک میکند و به طرف پمپ میرود - مسیر - 1، توسط پمپ به فشار بالاتری پمپ میشود - مسیر - 2 و بعد از آن از مبدل حرارتی گرما گرفته و تا حدودی گرم میشود و از - مسیر - 3 وارد دیگ بخار میشود که در آنجا محلول ضعیف گرم شده و به بخار اشباع - مسیر - 4 و مایع اشباع - مسیر - 10 تبدیل میشود. بخار اشباع به یکسوکننده فرستاده میشود، در یکسوکننده به دو جریان تفکیک میشود. اولی بخار غنی آمونیاک - مسیر - 6 و دومی محلول ضعیف آمونیاک - مسیر. - 5 بخار اشباع آمونیاک توسط فوق گرمکن، فوق داغ شده و به طرف توربین ارسال میشود - مسیر - 7 و با انبساط از طریق توربین تولید توان میکند - مسیر. - 8 سپس خروجی توربین با استفاده از کولر، باعث تولید تبرید میگردد - مسیر. - 9 از آن طرف بخار اشباع در یکسوکننده به مایع تبدیل شده - مسیر - 5 و با عبور از شیر فشارشکن، فشار آن پایین میآید و از - مسیر - 13 وارد جاذب میشود. از طرف دیگر مایع اشباع خروجی از دیگ بخار با عبور از مبدل حرارتی موجب افزایش دمای محلول خروجی از پمپ میشود و دمای این مسیر کاهش مییابد - مسیر . - 11 خروجی مبدل حرارتی - مسیر - 11 با عبور از شیر فشار شکن - مسیر - 12، وارد جاذب میگردد. سپس این جریان توسط جاذب و بوسیلهی محلول - مسیر - 9 که از توربین انبساط پیدا کرده بود و - مسیر - 13 و - مسیر - 12 جذب میشود و دوباره محلول پایه آب-آمونیاک که محلول مایع اشباع است، تشکیل میشود و سیکل کامل میشود.
