بخشی از مقاله
چکیده
در نیروگاههاي اتمی علاوه بر مصارف سیستمهاي تهویه، به منبع آب زیاد جهت خنکسازي قسمتهاي مختلف نیروگاه نیاز است؛ لذا براي خنکسازي این آب به چیلرهاي سرمایشی با توان بسیار بالا - پنج هزار تن تبرید به بالا - احتیاج میباشد. در این مقاله چیلرهاي تراکمی و گریز از مرکز 10000 تنی در نیروگاههاي اتمی مورد توجه قرار گرفتهاند و در آن به محاسبه پارامترهاي طراحی سیکل ترمودینامیکی آن پرداخته شده است.
در این مقاله سعی شده تمامی پارامترهاي ترمودینامیکی - دما، فشار، حجم مخصوص، آنتالپی، انتروپی، کیفیت و دبی مبرد - محاسبه شده و نتایج با تحقیقات پیشین اعتبارسنجی شوند. این اعتبارسنجی سازگاري بسیار خوب نتایج با پارامترهاي محاسبه شده توسط شرکتهاي پیمانکار ایرانی و خارجی را نشان میدهد. در ادامه تحقیق، میزان انحراف پارامترهاي محاسبه شده با دادههاي بدست آمده از عملکرد واقعی چیلرها مشخص شده و نمودار فشار- آنتالپی و دما- انتروپی در یک سیکل ترمودینامیکی براي دو حالت طراحی و واقعی مورد بررسی قرار گرفته است.
همچنین از آنجاییکه در چیلر با کمپرسور گریز از مرکز، جهت بهینه سازي انرژي از اکونومایزر استفاده میشود، لذا جهت بررسی اهمیت خط لوله برگشتی از اکونومایزر به مرحله دوم کمپرسور، به بررسی سیکل ترمودینامیکی حالتی که این خط لوله بنابر هر دلیلی مسدود شود پرداخته شده و در ادامه به بررسی کاربرد کمپرسور سه مرحلهاي و چهار مرحلهاي بجاي کمپرسور دو مرحلهاي کنونی پرداخته شده است. تغییرات ایجاد شده مذکور در سیکل ترمودینامیکی چیلرها نشان دهنده نتایج قابل توجهی در کارکرد و کار کمپرسور میباشد.
مقدمه
کارکرد چیلرها در نیروگاههاي اتمی در مدت زمانی که نیروگاه در حال کار بوده، از اهمیت ویژهاي برخوردار است؛ لذا نگهداري سیستم خنک کننده در شرایط کاري عادي، مسئله قابل توجهی میباشد که لازمه آن طراحی دقیق پارامترهاي ترمودینامیکی سیال خنک کننده در چیلر میباشد. اصول طراحی و احداث نیروگاههاي اتمی بر مبناي وجود منبع حرارتی تمام نشدنی - منبع بینهایت - بوده زیرا براي خنک سازي قسمتهاي مختلف نیروگاه به منبع آب بسیار زیاد نیاز است. از اینرو نقش چیلر در سرمایش این آب خنک کننده بسیار قابل توجه میباشدب1م. چیلرهاي ده هزار تنی در نیروگاههاي اتمی، جهت خنک سازي آب مدار سرمایشی میانی سیستم خنک کننده رآکتور و مدار خنک کننده روغن توربین در زمانی که دماي آب دریا بالاتر از 28 درجه سانتی گراد است، مورد استفاده قرار میگیرند.
سیکل ترمودینامیکی چیلرهاي مذکور مطابق شکل1، شامل قسمتس هاي اصلی توربوکمپرسور دو مرحلهاي، اواپراتور، کندانسور، اکونومایزر و شیرهاي کنترلی از جمله دو شیر انبساط که در دو مرحله فرآیند اختناق را انجام میدهند، میباشدب2و3م. در کندانسور و اواپراتور سیال آب با فریون انتقال حرارت داده که به موجب آن در کندانسور انتقال حرارت از مبرد به آب و در اواپراتور انتقال حرارت از آب به مبرد انجام میگیرد.
سیال خنک کننده در کندانسور آب دریا است و یک مدار باز بوده که منبع آن دریا یا رودخانه دائمی میباشد؛ همچنین سیال خنک شونده در اواپراتور نیز آب صنعتی تصفیه شده بوده و یک مدار بسته میباشدب4م. ماشِیتی و آگنی به مدلسازي ترمودینامیکی جهت استفاده از یک منبع حرارتی دما پایین - در دماي 73 درجه سانتی گراد و دبی 114 کیلوگرم بر ثانیه - واقع در شهر وادان در کشور لیبی پرداختهاند. شش مدل با استفاده از سرمایش IPSEpro و طبق مدل نیروگاه اتمی براي هدف یاد شده ساخته و شبیهسازي گردیده است.
همه مدلها مطابق تحقیقات قبلی اعتبارسنجی شده و نمودارهاي ترمودینامیکی فشار-آنتالپی و دما-انتروپی براي آنها بدست آمده استب5م. در یک مقاله استفاده از مبردهاي HFC مانند aخصذ، ca،لل ، ea،لل ، eaخصل ، cbخصل ، fa خصل ، cbزخل و cbخزل در چیلرهاي با کمپرسور گریز از مرکز مورد بررسی قرار گرفته است. خواص ترمودینامیکی و مشخصات آیرودینامیکی فرآیند فشردگی توسط پروانه آورده شده و مشخص شده که در یک دماي عملکرد، اختلاف قابل ملاحظهاي در افزایش آنتالپی این مبردها وجود دارد.
در ادامه مقایسهاي بین خذذCFC و مبردهاي HFC انجام شده که نشان دهنده عملکرد بالاتر براي مبردهاي HFC میباشد. استفاده از مبرد ea،لل یا ca،لل در آنتالپی پایینتر، به تجهیزات بیشتري نیاز دارد و همچنین براي چیلرهاي گریز از مرکز استفاده از مبردهاي caو ea مزایاي بیشتري نسبت به مبردهاي ea،خصل و خذذCFC داردب6م. در یک گزارش فنی به طراحی پارامترهاي ترمودینامیکی مبرد للR و سیال آب در یک چیلر گریز از مرکز 35 مگاواتی در نیروگاههاي اتمی پرداخته شده است.
در این چیلر کمپرسور از نوع دو مرحلهاي بوده و از یک اکونومایزر با دو شیر انبساطی استفاده شده است. خط برگشتی از بالاي اکونومایزر، گاز اشباع را به مرحله میانی کمپرسور منتقل میکند. صحت نتایج بدست آمده با تحقیقات قبلی اعتبارسنجی شده استب7م. در یک گزارش دیگر، به طراحی سیکل ترمودینامیکی یک چیلر گریز از مرکز با تناژ بالا پرداخته شده است. سیال مورد استفاده در این چیلر، مبرد للR بوده و تمامی پارامترهاي مربوط به آن بدست آورده شده افت فشار در تمام خطوط لوله بین اجزا ماشین محاسبه شده است.
نتایج بدست آمده از جداول ترمودینامیکی با قانون اول ترمودینامیک اعنبارسنجی شده و کارایی چیلر محاسبه شده استب8م. بررسی سیکل ترمودینامیکی و نمودارهاي فشار-آنتالپی، براي یک چیلر گریز از مرکز در یک گزارش فنی آورده شده است. در این گزارش اثرات تعداد اکونومایزر در قالب نمودار فشار-آنتالپی آمده است. همچنین در مورد اثر مبردهاي دیگري مانندذذR ، لذR ، للR ، خذذR و تتزR در سیکل ترمودینامیکی چیلر ذکر شده است
با توجه به اهمیت چیلرهاي آبی با کمپرسور گریز از مرکز، تحقیقات زیادي در مورد کارکرد و نوع مبرد استفاده شده در آنها انجام شده است که به تعدادي از آنها اشاره شدب10و11م. در شرایط عملکرد واقعی یک ماشین تبرید، پدیده هاي غیر قابل پیشبینی بوجود میآید که از جمله آن میتوان به پدیده سوپرهیت در ورودي کمپرسور - حالت - 1 و پدیده سابکولینگ یا مادون سرد در خروجی کندانسور - حالت - 5 اشاره کرد.
لذا در این تحقیق سعی شده تا با طراحی پارامترهاي ترمودینامیکی مبرد للR و سیال آب و همچنین مقایسه آن با دادهس ها و پارامترهاي حاصل از کارکرد ماشینها در شرایط واقعی به تحلیل و بررسی آنها پرداخته شود
معادلات حاکم
مطابق شکل1، کمپرسورها از نوع دو مرحلهاي بوده و یک خط لوله از اکونومایزر به مرحله دوم کمپرسور متصل شده که با خنک کردن دماي گاز فشرده شده کار مصرفی کمپرسور را کاهش داده و باعث بهینه شدن ماشین میشود. این خط لوله توسط شیر کنترلی تنظیم میشود. چنانچه این شیر بنا بر دلایلی مسدود شود، کمپرسور به صورت تک مرحلهاي عمل می کند که به موجب آن کار مصرفی کمپرسور افزایش یافته و راندمان سیستم کاهش مییابد. در این تحقیق به بررسی این فرآیند پرداخته شده است و نتایج با کارکرد عادي ماشین مقایسه شده است. در فرآیند طراحی مسئله، ایراداتی در طراحی شرکت هاي پیمانکار مشاهده شده که این ایرادات در تحقیق حاضر اشاره گردیده و به اصلاح آنها پرداخته شده است.
از آنجاییکه درون اواپراتور در دما و فشار ثابت تغییر فاز اتفاق میس افتد، لذا انتقال حرارت در اواپراتور فقط روي مایع اشباع و براي تغییر فاز از حالت مایع به بخار اشباع انجام میگیرد. پس میتوان با استفاده از رابطه - 1 - دبی مایع در اواپراتور را بدست آورد
شکل : 1 شماتیک یک چیلر سرمایشی
لازم به ذکر است استفاده از توربوکمپرسورهاي گریز از مرکز در یک چیلر با توان بسیار بالا زمانی مقرون به صرفه است که حداقل دبی جرمی کمپرسور معادل 594 متر مکعب بر ساعت باشد که این عدد براي مبرد للR در دماي TEvap ، 4,87 کیلوگرم بر ثانیه میس باشد و همانطور که در رابطه - 1 - مشاهده میشود این شرط به راحتی ارضا میشود که در رابطه فوق m دبی جرمی، اندیس f و g به ترتیب مایع و بخار اشباع، Q توان حرارتی چیلر، TEvap دماي مبرد در اواپراتور است که معادل 9,83 درجه سانتی گراد بوده، VP مدار آب خنک کننده در کندانسور و VSمدار آب خنک شونده در اواپراتور میباشد.
در اواپراتور و کندانسور محدودیتهاي مهم و اساسی وجود دارد که حتما بایستی لحاظ شوند که در جدول 1 بدان اشاره شده است.
جدول: 1 محدودیتهاي دمایی در کندانسور و اواپراتور
که در جدول فوق، TCond دماي مبرد اشباع خروجی از کندانسور در فشار 20,98 بار و معادل 53,33 درجه سانتی گراد، TVP دماي آب ورودي مدار VPدر کندانسور، TVS دماي آب ورودي مدار VSدر اواپراتور و T fW دماي انجماد آب اشباع در فشار یک اتمسفر و معادل صفر درجه سانتی گراد میباشد.
تعداد مراحل کمپرسور گریز از مرکز به تعداد مراحل فشردگی، اختلاف دماي C زحصخ T TCond TEvap و نوع سرمایش بستگی دارد؛ لذا از رابطه - 2 - میتوان نسبت تراکم را در کمپرسور بدست آورد. معادله ساده شده قانون اول ترمودینامیک براي سیستم مورد نظر نیز به صورت رابطه - 3 - بیان میشود که در آن PN فشار بخار در انتهاي فشردگی،ذPN فشار بخار در ابتداي فشردگی، N تعداد مراحل فشردگی، PCond فشار کندانسور، PEvap فشار اواپراتور، W توان مصرفی، h آنتالپی میباشد.
با توجه به رابطه - 3 - و - 4 - براي چیلر می توان ضریب عملکرد مطابق رابطه - 5 - تعریف کرد. با استفاده از رابطه - 2 - ، نسبت تراکم براي کمپرسور چند مرحلهاي مطابق با جدول 2 میباشد.
جدول : 2 نرخ تغییرات نسبت تراکم در کمپرسورهاي چند مرحلهاي
با توجه به شکل 1، در مرحله اول کمپرسور، مبرد للR به صورت گاز اشباع وارد شده - حالت - 1 و پس از فشرده سازي طی یک فرایند پلیتروپیک به صورت سوپرهیت - حالت - 2 وارد مرحله دوم کمپرسور میشود. در مرحله دوم کمپرسور، بخار مبرد سوپرهیت شده با بخار اشباع از خط لوله برگشتی مخلوط و طی یک فرایند پلیتروپیک در دما و فشار بالاتر از کمپرسور خروج میکند. براي بدست آوردن پارامترهاي ترمودینامیکی می توان از معادله بقاي جرم و انرژي استفاده کرد که معادله بقاي جرم و انرژي براي حجم کنترل مرحله دوم کمپرسور به صورت رابطه - 6 - و - 7 - و براي حجم کنترل اکونومایزر به صورت رابطه - 8 - و - 9 - میباشد.
بخار سوپرهیت خروجی از کمپرسور وارد کندانسور شده و در فشار ثابت تبدیل به مایع اشباع شده و از آن خروج میکند. طی این فرایند دماي مبرد افت پیدا کرده و گرماي خود را به سیال آب در مدار VPمیدهد. فرایند اختناق یا همان افت فشار ناگهانی طی دو مرحله اتفاق میافتد.
اولین مرحله اختناق توسط یک شیر کنترلی انبساطی - حالت - 6 انجام گرفته و به موجب آن فشار مبرد مایع تا حدي کاسته شده و دماي آن افت پیدا میکند. در این مرحله مبرد وارد ناحیه دو فازي میشود. پس از اینکه مرحله اول اختناق صورت گرفت، مبرد دوفازي وارد اکونومایزر شده و در آن سیال گاز و مایع از یکدیگر تفکیک میشوند. سیال مایع در کف کندانسور و سیال گاز در بالاي آن جمع میشود. حال مایع اشباع از کف کندانسور به صورت زیرکش خارج و به شیر کنترلی انبساطی دوم - حالت - 8 میرسد.
در مرحله دوم اختناق مایع اشباع تبدیل به سیال دوفازي شده و طی این فرایند دما و فشار آن دوباره افت پیدا میکند. سیال دوفازي پس از خروج از مرحله دوم اختناق وارد اواپراتور میشود. در اواپراتور برخلاف کندانسور هیچ تغییر دمایی در مبرد صورت نمیگیرد و فقط مبرد مایع اشباع در فشار ثابت به بخار اشباع تبدیل شده و بخار اشباع خروجی از مرحله دوم اختناق بدون هیچ گونه تغییري از اواپراتور عبور میکند. فشار در محیط اکونومایزر معادل فشار استاتیک بین مرحله اول و دوم کمپرسور، به علاوه افت فشار در خط لوله برگشتی بوده که این افت فشار معمولا معادل 1 درجه فارنهایت در شرایط اشباع در نظر گرفته میشودب9م. محاسبه افت فشار در خطوط لوله بین اجزا چیلر مطابق رابطه - 10 - بدست میآید.
که در روابط فوق f ضریب اصطکاك، D قطر لوله، L طول لوله، V سرعت سیال، ذD قطر لوله قبل از تبدیل، لD قطر لوله بعد از تبدیل و Kelbow ضریب ثابت براي انواع زانویی میباشد
حل عددي و نتایج
مطابق با جدول 3 مقادیر طرح براي آب مدار VSآورده شده است.
لازم بذکر است حداکثر دماي آب دریا ورودي به کندانسور، در فصل تابستان بوده و معادل 38 درجه سانتی گراد میباشد و در صورتی که دما از این مقدار تجاوز کند، نیروگاه به طور خودکار خاموش میشود. از طرفی بنا بر دلایل زیست محیطی دماي خروجی آب از کندانسور نباید از 46 درجه سانتی گراد تجاوز کند
جدول : 3 پارامترهاي طرح براي سیال آب در اواپراتور
