بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به بررسی ترمواکنومیک بویلر چکالشی با سوخت بیومس پرداخته شده است. براي این منظور از دیدگاه صرفه جویی در مصرف انرژي و همچنین نیاز به سرمایه گذاري اولیه، یک واحد بویلر چگالشی نمونه که با استفاده از سوخت بیومس - تراشه هاي چوب - کار می کند در نظر گرفته شده است. نتایج تحلیل اگزرژي و تحلیل اقتصادي این واحد ارایه شده است تا معین گردد آیا استفاده از بویلرهاي چگالشی به جاي بویلرهاي متداول و معمولی از نظر صرفه جویی در مصرف انرژي و همچنین از دیدگاه اقتصادي مقرون به صرفه می باشد یا خیر.
همچنین پارامترهاي مختلف تاثیر گذار بر روي کارکرد یک بویلر چگالشی معرفی شده اند و به بررسی نحوه ي اثر گذاري هر یک بر روي کارکرد بویلر چگالشی پرداخته شده است.
.1 مقدمه
انرژي اشکال مختلفی دارد که هر یک ویژگی ها و کیفیت خاص خود رادارد. کیفیت انرژي با توانایی ایجاد تغییر مترادف است. به عنوان مثال اگر تغییر مورد نظر گرمایش یک اتاق یا تراکم یک گاز یا پیش بردن یک واکنش گرماگیر باشد توانایی 1000j انرژي الکتري بیش از 1000j انرژي گرمایی در 1000k و نیز بیش از 1000 j انرژي گرمایی در 400k است. اگر این موضوع را در تحلیل سیستم ها در نظر نگیریم این اختلاف کیفیت هاي انرژي می تواند گمراه کننده باشد. بنابراین بررسی مشخصه هاي اشکال مختلف انرژي وکیفیت آن ها و طبقه بندي آن ها با تعریف یک استاندارد ضرودي خواهد بود کیفیت یک شکل از انرژي به نحوه ي ذخیره سازي آن بستگی دارد.
ذخیره انرژي می تواند به شکل منظم یا نا منظم باشد که در حالت دوم درجات مختلفی از بی نظمی را داریم.همان طور که می دانیم آنتروپی معیاري از بی نظمی است. کیفیت - قابلیت ایجاد تغییر - اشکال نا منظم انرژي که با آنتروپی مشخص شد متغییر بوده وبه شکل انرژي - شیمییایی وحرارتی و... - وپارامترهاي حامل انرژي و محیط بستگی دارد. از سوي دیگر اشکال منظم انرژي کیفیتی نامتغییر داشته که با آنتروپی مشخص نمی شوند و قادراند از طریق بر هم کنش کار به طور کامل به دیگر شکل هاي انرژي تبدیل شوند.براي احتساب کیفیت انرژي به یک معیار نیاز است.اصلی ترین ومرسوم ترین معیار کار بیشینه اي است که می توان از شکل معینی از انرژي به عنوان حالت مرجع وبا استفاده از پارامترهاي محیطی به دست آورد.این معیار کیفیت انرژي2 اگزرژي نامیده می شود.
مفهوم محیط در روش اگزرژي نیز به صورت جسم یا محیطی فراگیر می باشد که در حالت تعادل ترمودینامیکی کامل قرار دارد. بنابراین این محیط فرضی عاري از گرادیان یا تعیین در فشار2 دما2 پتانسیل شیمیایی انرژي پتانسیل یاجنبشی است ولذا امکان تولید کار به واسطه بر همکنش میان اجزاي محیط وجود ندارد. هر سیستم خارج از محیط که داراي یک پارامتر یا بیشتر باشد مثل فشار2 دما2 پتانسیل شیمیاي و...که با پارامترمتناظرآن در محیط تفاوت نماید داراي پتانسیل کار نسبت به محیط است. بنابراین محیط یک مبناي جامع در ارزیابی پتانسیل کار انواع مختلف سیستم ها است.
همچنین از دیدگاه آگزرژي انواع تعادل براي یک محیط به صورت زیر تعریف می شود:
- 1 تعادل محدود شده : شرایطی است که تعادل مکانیکی و حرارتی بین سیستم ومحیط ضمن برابري فشار و دماي سیستم ومحیط برقرار می شود.در این حالت مواد به وسیله یک مانع فیزیکی از هم جدا شده اند ومحیط وسیستم تعادل شیمییایی ندارند.
- 2 تعادل مرده : در این حالت علاوه بر فشار و دماباید پتانسیل هاي شیمییایی محیط و سیستم با یکدیگر برابر باشد.
- 3 اگزرژي همراه با انتقال کار: از آنجایی که کار معادل با شکل معینی از انرژي را معیاري از اگزرژي آن تعریف کردیم واضح است که از هر حیث کار معادل با اگزرژي است.
- 4 اگزرژي همراه با انتقال حرارت: اگزرژي یک انتقال حرارت در سطح کنترل از کار بیشینه اي که میتوان با استفاده از محیط به عنوان منبع انرژي حرارت در سطح صفر به دست آید تعیین شود. اگزرژي همراه آهنگ انتقال حرارت جریان اگزرژي حرارتی نامیده می شود.
.2مروري برکارهاي گذشته
در سال 2015، Vigants و همکارانش [1] به تحلیل اقتصادي استفاده از پکیچ چگالشی با سوخت بیومس براي یک خانه نمونه پرداختند. آن ها هدف خود را امکان سنجی اقتصادي و فنی استفاده از بویلرهاي چگالشی کوچک با سوخت بیومس براي گرم کردن خانه هاي روستایی عنوان نمودند. آن ها فرض نمودند که خانه ي فرضی مورد بررسی نیاز به یک سیستم سرمایشی با توان 8 مگاوات داشته باشد. آن ها با محاسبات خود توجیه پذیري اقتصادي طرح خود را به اثبات رساندند.
در سال 2009، Sippula و همکارانش [2] به بررسی انتشار درات ریز و گاهاي گلخانه اي منتشر شده از واحدهاي حرارتی کوچک که با سوخت بیومس و براده هاي چوب کار می کنند پرداختند. آن ها براي بررسی خود چهار واحد حرارتی مختلف را مورد بررسی قرار دادند که همگی براي گرمایش خانه هاي روستایی مورد استفاده قرار می گرفتند. یکی از این واحدهاي گرمایشی بر خلاف سه واحد دیگر مجهز به پکیچ چگالشی بوده است که آن ها نشان دادند واحدي که مجهز به پکیچ چگالشی می باشد می تواند تا %44 انتشار گازهاي گلخانه اي و تا %84 انتشار ذرات ریز معلق را نسبت به سایر واحدها کاهش دهد.
در سال 2008، [3] Comakli، به آنالیز انرژي و تحلیل اقتصادي بویلرهاي معمولی و بویلرهاي چگالشی و مقایسه ي نتایج آن دو با یکدیگر پرداختند. آن ها عنوان نمودند که بویلر چگالشی می تواند تا بیش از %10 به کاهش مصرف سوخت کمک کند. همچنین آنالیز اقتصادي هر دو سیستم حرارتی بر اساس روش هزینه ي چرخه ي کار نشان داد که بویلر چگالشی ارزان تر از بویلرهاي معمولی می باشد.
در سال 2009، نیز Aljundi. Isam H آنالیز اگزرژي و انرژي را براي یک نیروگاه بخاري در کشور اردن مورد بررسی قرار داد.[4] در این پژوهش آنالیز انرژي نشان داد که بیشترین تلفات انرژي را در کندانسور داریم که در حدود %66 می باشد و بعد از آن بیشترین اتلاف انرژي مربوط به بویلر می باشد که در حدود %6 می باشد و راندمان حرارتی واحد با استفاده از آنالیز انرژي %26 به دست آمده است . ولی آنالیز اگزرژي نشان داد که بیشترین نابودي اگزرژي مربوط به بویلر می باشد که در حدود %77 کل اگزرژي ورودي به واسطه ي سوخت می باشد و بعد از آن بیشترین تلفات اگزرژي مربوط به توربین است که در حدود %9 می باشد و نابودي اگزرژي در کندانسور تنها %9 است. راندمان حرارتی واحد نیز بر اساس آنالیز اگزرژي %25 به دست آمد. درواقع این پژوهش نشان داد که چقدر اختلاف بین آنالیز اگزرژي و انرژي وجود دارد و آنالیز انرژي براي یک سیستم حرارتی به تنهایی حتی می تواند گمراه کننده باشد.
Kanoglu, A وهمکارانش نیز در سال 2008، روابط آنالیز اگزرژي و انرژي را براي موتورهاي دیزل تولید کننده قدرت نوشته و به بهینه سازي پارامترهاي آن پرداختند.[5] آن ها ضریب بازده موتور دیزل را با استفاده از آنالیز انرژي %47 وبا استفاده از آنالیز اگزرژي % 44 محاسبه نمودند . در این آنالیز اجزایی که داراي بیشترین نابودي اگزرژي بودند مشخص شدند تا بتوان با بهینه سازي آن اجزا بازده کلی موتور را افزایش داد .
Hasan و همکارانش در سال 2009 روش هاي آنالیز اگزرژي و انرژي را براي یک نیروگاه با سوخت زغال سنگ در ترکیه اعمال کردند و به خوبی ناکار آمدي روش آنالیز ترمودینامیکی در مقابل آنالیز اگزرژي را نشان دادند . آن ها بازده اگزرژي را براي اجزاي مختلف محاسبه نمودند و نشان دادند که نتایج به دست آمده از آنالیز انرژي تا چه حد می تواند با واقعیت ناسازگار باشد.
Datta و همکارانش در سال 2007 آنالیز اگزرژي را براي یک نیروگاه حرارتی با سوخت ذغال سنگ ارایه دادند . آن ها در این روش سیکل نیروگاه را به سه ناحیه تقسیم کردند و مورد بررسی قرار دادند. در این پژوهش نشان داده شد که بیشترین نابودي اگزرژي مربوط به بویلر می باشد که در حدود %60 کل بار می باشد و بعد از آن بیشترین نابودي اگزرژي در شیرهاي کنترل توربین و پمپ هاي آب تغذیه رخ می دهد.
Lazzarin و همکارش ضریب عملکرد یک سیستم گرمایشی را در صورت استفاده از بویلرهاي چگالشی مورد بررسی قرار داد.[8] آن ها نشان دادند که در صورت استفاده از بویلرهاي چگالشی حداقل می توان %15 بازده سیستم حرارتی را افزایش داد.
در سال 2011، Seungro Lee و همکارانش به بررسی ضریب عملکرد مبدل هاي چگالشی و بویلرهاي چگالشی پرداختند.[9] آن ها تاثیر استفاده از بویلرهاي چگالشی را روي ضریب عملکرد سیستم حرارتی مورد بررسی قرار دادند و مشاهده کردند که در صورت بهینه کردن مبدل حرارتی چگالشی وهمچنین استفاده از مشعل میانی می توان ضریب عملکرد سیستم حرارتی را تا %90 افزایش داد . همچنین آن ها میزان انتشار NOx و COx را نیز در صورت استفاده از مبدل هاي حرارتی چگالشی محاسبه نموده و با حالتی که از مبدل چگالشی استفاده نشود مقایسه کرده اند .
در سال2012، Qun Chen و همکارانش به بررسی کاربردهاي صنعتی بویلرهاي چگالشی پرداختند . [10] آن ها در این پژوهش به طراحی یک مبدل حرارتی از نوع پوسته و لوله اي با یک پاس پرداختند و در این طراحی مقاومت هاي حرارتی مختلفی مانند رسوب گذاري سیال گاز ، مقاومت هدایت حرارتی فاز گاز ، مقاومت حرارتی لوله و ... را مورد بررسی قرار دادند
. آن ها ضریب انتقال حرارت جابجایی را براي مبدل فرضی که طراحی کرده بودند در حدود 2.5 Kw/m2 به دست آوردند . آن ها سطح انتقال حرارت لازم براي کندانس کردن محصولات احتراق خروجی از یک بویلر معین را براي حالتی که مبل حرارتی از جنس فولاد ضد زنگ ساخته شود و حالتی که مبدل چگالشی از جنس فولاد کربن دار با روکش ضد زنگ باشد محاسبه کرده و با هم مقایسه کردند .
در سال 2004، Lazzarin و همکارانش به بررسی افزایش بازده حرارتی سیستم هاي گرمایشی در صورت استفاده از بویلرهاي چگالشی پرداختند.
.3 معادلات حاکم بر مساله
همچنین اگزرژي یک جریان پایا از ماده بیشینه کاري قابل حصول ضمن تحولی است که در آن جریان صرف بر هم کنش با محیط از حالت ابتدایی خود به حالت مرده برسد.
