بخشی از مقاله
تحلیل ترمواکونومیک استفاده از بویلرهای چگالشی در مدارس استان لرستان
چکیده
پکیجهای چگالشی از جدیدترین دستاوردهای دنیای مدرن برای تامین نیازهای گرمایشی ساختمانهای بزرگ و برجها میباشد که در سالهای اخیر، بهکارگیری آنها در کشورهای اروپایی توسعهی چشمگیری یافته است و در حال حاضر سیستم رایج برای تامین نیازهای گرمایشی ساختمانهای مراکز آموزشی، موتورخانه های سنتی مرکزی میباشد. تحقیق حال حاضر کارایی و راندمان پکیجهای چگالشی((condensing در مدارس استان لرستان را مورد بررسی قرار میدهد. با توجه به اینکه حدود 600 مدرسهی 1 تا 24 کلاسه در سطح استان لرستان وجود دارد و همچنین به لحاظ آب و هوایی سال آموزشی در این استان نیاز چندانی به سیستمهای سرمایشی نداشته و فقط موضوع تامین گرمایش مطرح میباشد، استفاده از پکیجهای چگالشی با راندمان 96 تا 100 درصدی در مقایسه با پکیجهای سیستم مرکزی و سنتی با راندمان 75 تا حداکثر 90 درصدی، اهمیت صرفهجویی و بهینهسازی مصرف سوخت و جلوگیری از افت فشار در سرمای دی و بهمن که زمان اوج مصرف در استان و کشور است را نشان داده و به لحاظ بودجهی اندک مراکز آموزشی، اهمیت اقتصادی خود را بسیار نمایان میکند.
واژههای کلیدی: بویلر چگالشی، بهینهسازی، اتلاف انرژی، نوسازی مدارس، بازگشت هزینه.
-1 مقدمه
با رشد و توسعه صنایع وابسته به گاز طبیعی و نیاز روز افزون جامعه به این کالای استراتژیک و اهمیت استفاده از سـوخت بـا آلاینـدگی کم و همچنیین رو به پایان بودن سوخت های فسیلی، بحـث صـرفه جویی و استفاده بهینـه و کـاربردی از ایـن انـرژی بـا ارزش دغدغـه کارشناسان و صاحب نظران حوزه انرژی مـی باشـد کـه ایـن منبـع انرژی عمدتا یا در صنعت مصرف شده(کلان) و یا بـه صـورت منبـع گرمایشی در منازل مسکونی و ادارات (خرد ) مورد استفاده قرار دارد
. یکی از مهمترین وسایل گاز سـوز تولیـد گرمـا در بخـش مـدارس پکیج های گرمایشی است که مقدار قابل توجهی انرژی از طریق گاز های خروجی از دودکش آنها وارد محیط شده و تلف میشوند. بـرای جلوگیری از اتلافات در ایـن بخـش از سـال1970 مـیلادی سـاخت بویلر های چگالشی آغاز گردید(.(4-5 در پکیج های غیـر چگالشـی حــدود بیســت درصــد انــرژی بصــورت گرمــای نهــان تبخیــر آب در محصولات احتراق موجود است(.(6 در ایـن مطالعـه بحـث اسـتفاده بهینه از این انـرژی را در مقیـاس و چهـارچوب مـدارس و فضـاهای آموزشی که میتواند الگوی مناسبی برای منازل مسـکونی نیـز باشـد مورد بررسی قرار داده ایم. هم کنون حدود 600 مدرسه آموزشی در سطح استان لرستان مورد استفاده قرار دارد که بـیش از 85 درصـد این مدارس به خط تغذیه منبع انرژی گاز طبیعی متصـل بـوده (7) کــه در بحــث تــامین انــرژی گرمایشــی تنهــا ســوخت موجــود و در دسترس میباشد. استان لرستان در فصول پاییز و زمستان افت دمای بالای را تجربه میکند که این شرایط آب و هوایی خود باعث اسـتفاد بیشینه از گاز شده و افت فشار گاز را موجب میشود لـذا ایـن منبـع انرژی همیشه به صورت نرمال و کارا به سیستم های تولید گرمایش در کلیه نقاط و بصـورت یکسـان رسـانده نمیشـود. در ایـن شـرایط سیستم های با استانداردهای بالا و با صـرفه اقتصـادی مـورد توجـه قرار می گیرند. با وجود محدودیت هـای همیشـگی اعتبـارات مـالی مراکــز آموزشــی و مــدارس، مصــرف غیــر اســتاندارد و اســتفاده از سیستمهای با اتلاف انرژی بالا و راندمان پایین باعث افزایش هزینـه سوخت در مدارس شده و موجب دغدغـه خـاطر مـدیران مـدارس و آموزش و پرورش می شود. این در حالی است که عمدتا این سیستم
های گرمایشی هوای مطبـوع و یکنـواختی را در فضـاهای آموزشـی ایجاد نمی کنند. در مقابـل وضـعیت ناهنجـار موجـود، پکـیج هـای چگالشی که در حال حاضر مدرن ترین سیستم هـای گرمایشـی بـه لحاظ اتلاف انرژی حداقل و ثبات و پایـداری و یکنـواختی در تولیـد گرمای لازم به کمک کنترل کننده های که این سیستم لحاظ شده، بهترین گزینـه بـرای جـایگزینی سیسـتم هـای سـنتی و حـل ایـن مشکلات بوده و در مقابل راندمان حـداکثری 85 درصـدی سیسـتم های سنتی دیگ چدنی و پکیج غیر چگالشی، با راندمانی با حـداقل 96 و حداکثر 106 درصدی پاسخی برای دغدغه های موجود اهم از هدر رفتن و افت فشار گاز از جانب اداره گاز و استفاده مطبوع توسط دانش آموزان و همچنین هزینه پایین برای مدیران مدرسه و آموزش و پرورش می باشد.
-2مبانی نظری
-1-2 چگالش
در شرایطی که دمای بخار آب کمتر از دمای نقطه شـبنم بخـار آب موجود در محیط باشد چگالش صورت می گیرد ولـی اگـر بخـواهیم این شرایط را به صورت خود خواسته ایجاد کنیم باید بخار آب را در گذر از یک فضای سرد و ایجاد انتقـال حـرارت چگـاش کنـیم و بـه صورت مایع برگردانیم.
-2-2دیگ چگالشی چگونه کار می کند؟
در یک دیگ معمولی، با احتراق سوخت گاز های داغ تولید میشود که با گذشتن از مبدل حرارتی بیشتر این انرژی به آب منتقل شده که باعث بالا رفتن دمای آب می شود. بخار آب یکی از گاز های داغ تولید شده در فرایند احتراق است که نتیجه ترکیب هیدروژن با اکسیژن می باشد. در دیگ های چگالشی (کندانسینگ)، حرارتی که توسط خروج گازهای داغ تلف می شود، جذب شده و بخار آب موجود با از دست دادن گرمای نهان تبخیر به آب مایع (یا به اصطلاح به کندانس ) تبدیل می شود و این گرمای نهان نیز به آب داده می شود که این عمل اضافی می تواند بازدهی را تا %12 -10 بالا ببرد . البته بازدهی فرایند های کندانس متفاوت است و بستگی
به دمای آب برگشتی به دیگ دارد اما در شرایط برابر همیشه بازدهی دیگ های چگالشی اگر بیشتر از دیگ های غیر چگالشی نباشد دست کم با آنها برابر است. کندانس تولید شده کمی اسیدی است بنابراین انتخاب مواد برای قسمت های که در معرض خوردگی هستند باید مناسب باشد. در دماهایبالا معمولاً از آلیاژ های آلومینیوم و استیل ضد زنگ استفاده می شود و فولاد و مس خراب میشوند((8 ، در قسمت هایی با دمای پایین تر از پلاستیک هایی همچون پلی پروپیل استفاده می شود که باعث تاثیر در قیمت نهایی می شوند. کندانسه تولید شده در مبدل چگالش گر باید به فاضلاب تخلیه شود. در حالت کلی برای نصب، این بخش تنها تفاوتی است که بین دیگ های چگالشی و غیرچگالشی وجود دارد. برای اینکه تولید دیگ های چگالشی اقتصادی و قابل مدیریت در نصب باشند، مبدل های داخلی در کوچک ترین سایز های فنی ممکن ساخته می شوند. این امر باعث تولید مبدل هایی با مقاومت بالا در طرف محفظه احتراق شده و از فن برای به حرکت در آوردن محصولات احتراق در مجراهای باریک استفاده می شود که استفاده از فن بخاطر خارج کردن گازهای خروجی الزامی می باشد چون گاز ها معمولاً تا دماهای زیر 100 درجه سانتی گراد خنک می شوند و دیگر نیروی شناوری را برای خروج طبیعی از دودکش ندارند(.(6
شکل.1 شماتیک یک پکیج چگالشی
-3-2 راندمان
مقدار کل گرمای ایجادشده توسط پکیج متناسب با مقدار گازسوخته شده می باشد.
(کار داده شده به دستگاه/کارانجام داده شده توسط دستگاه) = راندمان قدرت اسمی(مقدار کل انرژی گاز سوخته شده توسط دستگاه)/قدرت خروجی(حرارت انتقال داده شده به آب) =راندمان
در پکیجهای سنتی درجه حرارت دود بالای 100⁰c می باشد و آب موجود در دود به حالت بخار بوده و لذا ارزش حرارتی گاز پایین می باشد(.(7
به عنوان مثال در یک پکیج سنتی با سوخت گاز طبیعی و قدرت خروجی 23/8 k/wیا 20468 cal/hr با مصرف گاز 2/7 m3/h
قدرت اسمی حرارت=ارزش حرارتی گاز* مصرف گاز 2/7×8125=21937/5 kcal/hr
(RXW/(LQ
20468 21937/5=%93/3
برای نشان دادن تفاوت بین راندمان پکیج های چگالشی و سنتی از محصولات حاصل از احتراق باارزش حرارتی پایین استفاده می کنیم. همچنین برای یک پکیج چگالشی با قدرت خروجی k/w 21/856و مصرف گاز به مقدار 2/54 m3/h
= 2.54m3/h x 8125 kcal/m3 = 20619 kcal/h ارزش حرارتی پایین گاز×گاز ورودی= قدرت اسمی
قدرت اسمی/قدرت خروجی =راندمان
100= 106%) ×20.619 kcal/h/(21.856 kcal/h=
همانطور که مشاهده می شود میزان اختلاف بازده برای یک بویلر ×چگالشی قابل ملاحظه است.
شکل 2بخشهای مختلف خروج حرارت را در یک پکیج چگالشی نشان می دهد.
×شکل.2شماتیک اتلافات و بازدهی پکیج چگالشی
نمودار 1 میزان تغییرات راندمان پکیج چگالشی را بر اساس تغییرات دبی سیال ورودی نشان می دهد(.(1 بر اساس این نمودار با افزایش حجم سیال ورودی به پکیج، راندمان سیستم در مقایسه با گرمای گرفته شده کاهش می یابد. بنابر این برای تعیین بازدهی مناسب باید میزان دبی سیال ورودی به سیستم کنترل شود.
×نمودار .1تغییرات راندمان بر اساس تغییرات دبی ورودی
نمودار 2 اثر تغییرات سطح مبدل روی اختلاف دمای ایجا شده در سیال ورودی و خروجی را نشان میدهد(.(2 مطابق این نمودار با افزایش سطح مبدل حرارتی بکار رفته در یک پکیج چگالشی، میزان تبادل حرارت بین سیال سرد و گرم افزایش می یابد. لذا دمای
محصولات حاصل از احتراق به میزان مطلوبی کاهش یافته و به دنبال آن افزایش بازده را خواهیم داشت.
نمودار.2 اثر تغییرات سطح مبدل روی اختلاف دمای ایجا شده در سیال ورودی و خروجی
میزان آلاینده های خروجی از سیستمهای گرمایشی امری غیر قابل اغماض و بسیار حائز اهمیت میباشد. نمودار 3 مقایسه دو سیستم سنتی و پکیج های چگالشی را نشان می دهد(.(3 بر اساس این نمودار میزان آلاینده های NOx و CO خروجی از پکیج های چگالشی نسبت به پکیج های سنتی به مقدار قابل توجهی کمتر می باشند.
نمودار.3مقایسه ایجاد آلایندگی
(PWF )
(CE )
-3مزایای تکنولوژی کاندنسینگ (چگالشی)
از جمله مزایایی که برای پکیج های چگالشی نامبرد می توان به موارد زیر اشاره کرد:
-× مصرف انرژی مینیمم و در نتیجه بیشترین بازده ممکن((1 -× قابلیت مدولاسیون وگرمایش مناطق حرارتی مختلف
- کاهش آلودگی محیط زیست بعلت کاهش گازهای حاصل از فرایند احتراق
-1-3توجیح ترمو اکونومیکی
از تاریخ 1389/09/28 در راستای هدفمند شدن یارانه ها تعرفه های گاز در هر استان و شهر متناسب با آب و هوای آن مکان محاسبه می گردد. در این راه استان های کشور به 5 اقلیم آب و هوایی تقسیم بندی شده است که شهر خرم آباد در اقلیم 3 قرار دارد. مصرف میانگین گاز طبیعی در یک مدرسه 3کلاسه در هر ماه 460 متر مکعب می باشد. بهای گاز مصرفی در سال 1393 مطابق جدول شماره 4 محاسبه می شود. با توجه به قیمت گاز معادل 935 ریال و مصرف میانگین 460 متر مکعب در هر ماه هزینه کل معادل 460×935=430100 ریال برای پکیج های سنتی خواهیم داشت. حال اگر از سیستم های چگالشی استفاده کنیم و اختلاف راندمان 11 درصدی را در مقدار فوق لحاظ کنیم صرفه جویی در حدود 51 متر مکعب و مبلغی معادل51×935= 47685 ریال در فصل خواهیم داشت که می توان معادل 143055 هزار ریال در یک فصل صرف جویی مالی نمود و باتوجه به اختلاف قیمت 300 هزار تومانی سیستم سنتی و چگالشی مورد استفاده در مدارس 3 کلاسه علاوه بر مزیت های صرفه جویی در مصرف گاز که خدمتی ملی و انتقال سرمایه به آیندگان است در راستای جلوگیری از ورود گازهای آلاینده به محیط زیست که اقدامی باارزش جهانی وبشری است و نیز کیفیت گرمایشی در ایجاد هوای مطبوع که موضوع اصلی می باشد، در طول حدود چهار سال اختلاف هزینه پرداختی از محل صرفه جویی بازگردانده میشود.
