بخشی از مقاله
چکیده - سیکل رانکین آلی - ORC - دو مرحله ای پیشنهاد شده با هدف تولید توان با استفاده از منبع انرژی دما پایین - انرژی خورشیدی - و همچنین بازیابی اگزرژی برودتی گاز طبیعی مایع - LNG - مورد استفاده قرار می گیرد. به منظور اطمینان از پیوسته و پایدار بودن عملکرد سیستم، یک سیستم ذخیره حرارت معرفی شده تا انرژی خورشیدی جمع آوری شده را ذخیره کرده و توان خرجی پایدار را زمانی که تابش خورشیدی ناکافی می باشد تامین کند. R124 و R116 به عنوان سیال های عامل سیستم انتخاب شده اند. بر اساس مدل ریاضی ترمودینامیکی پارامترهای کلیدی طراحی عبارتند از : فشار و دمای ورودی و خروجی توربینها، نرخ جریان سیالهای عامل، که تأثیر آنها بر روی عملکرد سیستم مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد که سیستم ORC دو مرحله ای در شرایط بهینه می تواند توان خروجی خالص2760 kW با بازده حرارتی %26 و بازده اگزرژی %34 تولید کند. و همچنین دمای گاز طبیعی مایع تا 253 کلوین افزایش می یابد.
-1 مقدمه
باتوجه به افزایش توسعهصنعتواقتصادو همچنین دانش و تکنولوژی درسراسرجهان،تقاضابرایانرژیبا روند بی سابقهای در حال افزایش میباشد. با توجه به رشد مصرف انرژیهای اولیه - زغال سنگ، نفت، گاز طبیعی - نگرانی های زیست محیطی و همچنین کمبودانرژیهای فسیلی باعث میشود مردم توجه بیشتری به بهره برداری ازمنابع انرژیهای تجدیدپذیر داشته باشند. با توجه به پتانسیل بالای تابش در مناطق وسیعی از ایران، از میان منابع تجدید پذیر، انرژی خورشیدی دارای جذابیت بیشتری است. میزان تابش خورشید در ایران بین 1800 تا 2200 کیلووات ساعت بر متر مربع در سال تخمین زده می شود که این میزان بالاتر از حد متوسط جهانی است.[6] در این میان ظهور سیستمهای تولید توان با استفاده ازمنابع انرژی تجدیدپذیر افقهای جدیدی را برای مقابله با مقوله گرمایش زمین و کاهش فشار برمنابع سوخت فسیلی گشوده است. چرخه قدرت رانکین - ORC - بهترین جایگزین سیکل برای تولید برق ازطریق انرژی خورشیدی است.این چرخه ها دارای دمای عملکرد
پایین و یا متوسط بوده و از این رو در حالت هایی که با منابع انرژی بازیافت گرمایی و یا منابع تجدید پذیر مانند خورشیدی، زمین گرمایی و یا بایومس پرکاربرد هستند. اخیراً ، تحقیقات زیادی برای توسعه سیکل رانکین آلی با منابع انرژی دما پایین صورت گرفته است که در این رابطه رازننتی و هکارانش [1] به بررسی فنی و زیست محیطی چرخه رانکین آلی تک مرحله ای با تولید همزمان توان و گرما و منبع انرژی زمین گرمایی و خورشیدی در دماهای 90 تا 95 درجه سلسیوس پرداخته اند. زو و همکاران[2]به آنالیز ترمودینامیکی و بهینه سازی سیکل رانکین آلی دو مرحلهای برای بازیابی اگزرژی برودتی گاز طبیعی مایع - LNG - پرداخته اند. سیکل رانکین پیشنهاد شده با گاز اتلافی خروجی نیروگاه سیکل ترکیبی گاز-بخار 123/5 MW کار میکند. کالیس و همکارانش [3] به بررسی فنی چرخه رانکین آلی با منبع انرژی خورشیدی با هدف تولید توان و گرما در دمای 180 تا 230 درجه سلسیوس پرداخته اند. حنیفی و همکارانش [4]به مطالعه ترمودینامیکی واگزرژی یک سیستم تولید همزمان هیدروژن و برودت بر مبنای انرژی خورشیدی پرداخته اند. آستولفی و همکارانش [ 5]به بررسی یک سیستم ترکیبی متمرکز خورشیدی و یک نیروگاه زمین گرمایی باینری بر اساس سیکل رانکین سیال آلی پرداختهاند. در این مقاله، سیکل رانکین آلی دو مرحله ای برای تولید توان از منابع انرژی دما پایین - انرژی خورشیدی - و همچنین بازیابی اگزرژی برودتی گاز LNG پیشنهاد شده است. سیکل ترکیبی پیشنهادی هم تولید توان می کند و هم گاز LNG را به بخار تبدیل می کند.
-2 توصیف سیکل
دیاگرام شماتیکی سیستم ترکیبی پیشنهاد شده را می توان در شکل.1 مشاهده کرد. سیکل رانکین آلی دو مرحلهای از یک سیکل بالایی با سیال عامل R124، و سیکل پایینی با سیال عامل R116تشکیل شده است. سیستم از یک منبع حرارتی تجدید پذیر - انرژی خورشیدی - برای تامین انرژی اولیه بهره می برد. و همچنین فرآیند تبخیر گاز طبیعی مایع برای بازیابی اگزرژی برودتی آن و بعلاوه به عنوان چاه حرارتی سیکل رانکین آلی در سیستم ایفای نقش میکند. سیکل بالایی با شماره گذاری 1-2-3-4-5-6 قابل شناسایی می باشد. مایع دما پایین R124 در نقطه - 1 - توسط پمپ شماره یک P-1 به فشار مورد نیاز در نقطه شماره - 2 - پمپاژ می شود، سپس در مبدل حرارتی H-1Bحرارت دریافت کرده و به حالت مایع اشباع در در نقطه - 3 - در می آید. مایع اشباع R124 در مبدل H-1Aبخار مافوق گرممی شود، این بخار مافوق گرم سیال R124 وارد توربین یک T-1شده و آنتالپی بالای آن به توان تبدیل می شود - فرایند . - 4-5 بخار فشار پایین سیال R124 از مبدل حرارتی H-1Cعبور کرده و با کاهش مقداری از دمایش در نقطه - 6 - وارد کندانسور C-1می شود و در نهایت با انتقال حرارت به گاز طبیعی مایع به حالت مایع متراکم در نقطه - 1 - تبدیل می شود . سیکل پایینی نیز با شماره گذاری 7-8-9-10-11-12-13قابل شناسایی می باشد. سیکل پایینی با استفاده از حرارت بخار داغ خروجی از توربین یک T-1و همچنین آب داغ تحت فشار کلکتور به عنوان منابع حرارتی میتواند تولید توان نماید. فرایند تبخیر گاز طبیعی مایع - LNG - با شماره گذاری L1-L2-L3-L4-L5-L6قابل شناسایی می باشد. گاز طبیعی مایع در کندانسورهای C-1 و C-2 به ترتیب گرم و بخار میشود. و در بازگرمایش H-3 توسط آب دریا به دمای محیط می رسد و وارد توربین سه T-3 شده و تولید توان میکند و با دما و فشار مناسب وارد محفظه احتراق یا به مصرف شهری میرسد.
شکل : 1 شماتیک سیکل رانکین اوگانیک
-3 مدلسازی فنی
مدلسازی سیستم های مورد مطالعه شامل بخشهای مربوط به چرخه رانکین آلی، کلکتور سهموی و سیستم ذخیره حرارت می باشد که در ادامه به آنها پرداخته شده است. بخشهای مختلف سیستم ها در مدلی جامع و در ارتباط با یکدیگر، به صورت n معادله n مجهولی حل شده است.
-1-3 مدلسازی ترمودینامیکی سیکل رانکین
در این بخش آنالیز قوانین اول و دوم ترمودینامیکی انجام شده است.LMTD - اختلاف دمای متوسط لگاریتمی - روشی است که برای محاسبه اختلاف دمای سیال ها با ظرفیت حرارتی یکسان در مبادله کنهای حرارتی استفاده شده است.
-2-3 مدلسازی ترمودینامیکی کلکتور های سهموی
برای تجزیه و تحلیل حرارتی کلکتورهای خورشیدی، لازم است فاکتور راندمان کلکتور F، ضریب اتلاف UL و فاکتور گرمای حذف شده FR به صورت مناسبی بیان شود. معمولا برای کاهش تلفات حرارتی لوله شیشه ای متحدالمرکز در اطراف دریافت کننده به کار گرفته می شود. در چنین مواقعی UL، بر اساس مساحت دریافت کننده، به صورت رابطه زیر بیان می شود. که در آن Acover مساحت پوشش شیشه ای، Arecسطح خارجی دریافت کننده، hr,c-aضریب تابش خطی از پوشش به محیط که بر اساس روابط [6] قابل محاسبه است.
برای برآورد شرایط پوشش شیشه ای، دمای پوشش شیشه ای یعنی Tcoverمی تواند از تعادل انرژی به صورت رابطه زیر بدست آید.
- 7 - Ta - hw - - Tcov er Acov er - hr ,c a Tcov - Ar hr , r c - Tr
روش پیدا کردن Tcoverبا تکرار است. به طوریکه برآورد ULاز معادله - 6 - با در نظر گرفتن یک Tcoverانتخابی صورت می گیرد. اگر Tcoverبه دست آمده از معادله - 7 - با مقدار اولیه متفاوت بود، این عمل با انتخاب Tcoverجدید تکرار می شود و معمولا بیش از دو تکرار مورد نیاز است. انرژی مفید تحویلی از متمرکز کننده بر اساس رابطه زیر بدست می آید.
Qu,c FR [I T o Ac ArecU L - T f ,in Ta - - 8 -
