بخشی از مقاله
چکیده
بازده توربینهای گازی، وابستگی شدیدی به دمای هوای ورودی دارد و کار تولیدی توربینهای گازی در شرایط دمای بالا به شدت کاهش مییابد. این اثر منفی از دو جهت باعث افت کارایی و بازده توربین گاز خواهد شد : با افزایش دما، چگالی هوا و در نتیجه دبی جرمی هوا کاهش می یابد و این امر باعث کاهش توان خروجی توربین گازی می گردد. همچنین با افزایش دمای هوای ورودی، کار مورد نیاز کمپرسور افزایش یافته و قدرت خروجی توربین باز هم کاهش مییابد. در این مقاله توربین گازی ساده مورد مطالعه قرار گرفته و سپس تاثیر خنک کاری هوای ورودی با کالکتور خورشیدی در سیکل جذبی لیتیوم برماید آب، روی کار و بازده چرخه بررسی میگردد. در پایان تاثیر دمای کندانسور، تبخیرکننده و ژنراتور بر روی ضریب عملکرد بررسی شده و میزان تاثیر انرژی حرارتی دریافتی از کلکتور خورشیدی بر راندمان سیکل بررسی شده است.
-1 مقدمه
توربین گاز یک ماشین دوار است که براساس انرژی گازهای ناشی از احتراق کار می کند. هر توربین گاز شامل یک کمپرسور برای فشرده کردن هوا، یک محفظه احتراق برای مخلوط کردن هوا با سوخت و محترق کردن آن و یک توربین برای تبدیل کردن انرژی گازهای داغ و فشرده به انرژی مکانیکی است. مبنای کار توربینهای گاز از نظر ترمودینامیکی، بر اساس چرخه برایتون است که در آن، هوا به صورت فشرده شده، احتراق در فشار ثابت رخ داده و انبساط هوای فشرده و داغ در توربین، به صورت بیدررو رخ میدهد و هوا به فشار اولیه میرسد. توربینهای گازی اولیه در سال1900 میلادی به وجودآمدند و از سال 1930 استفاده از آنها به منظور تولید جریان الکتریکی آغاز شد. توربینهای گازی کاربردهای متفاوتی دارند که میتوان به موارد ذیل اشاره کرد:
- 1 سیکل ساده توربین گازی جهت تولید قدرت - 2 سیکل ساده توربین گازی با مبادله کن بازیافت گرما جهت تولید حرارت و قدرت که در این حالت از گرمای خروجی توربین جهت تولید بخار یا آب گرم استفاده میشود.
3 - سیکل ترکیبی که در آن بخار فشار بالای حاصل از حرارت بازیافت شده گازهای خروجی توربین گازی جهت تولید قدرت بیشتر در یک توربین بخار مورد استفاده قرار میگیرد
این توربینها به دلیل بالا بودن ظرفیت و سرعت راه اندازی بالا مورد توجه بوده و یکی از تمیزترین ابزارهای تولید جریان الکتریکی میباشند. توربینهای گازی بدلیل داشتن بازده پایین،معمولاً برای یک فاصله زمانی کوتاه که پیک بار است و یا هنگام بالا رفتن غیر عادی مصرف به عنوان مولد کمکی مورد استفاده قرار میگیرند. استفاده از روشهای ساده ولی موثر قادر است بازده و قدرت توربینهای گازی را بالاتر برده و سبب گسترش مصرف آنها گردد. علت اصلی پایین بودن بازده توربینهای گازی خروج گازهای حاصل از احتراق در دمای بالا از خروجی توربین است. به همین دلیل اگر روشی در جهت استفاده از حرارت گازهای خروجی به کار گرفته شود، بسیار مقرون به صرفه خواهد بود و استفاده از مبادله کن بازیاب یکی از این روشهاست. مورد دیگری که در رابطه با توربینهای گاز باید مد نظر قرار گیرد، تاثیر دمای هوای ورودی در عملکرد چرخه میباشد. بالا بودن دمای محیط باعث محدودیت جرم هوای روردی به کمپرسور شده و در نتیجه کاهش توان خروجی توربین را به دنبال خواهد داشت. به عنوان مثال 1 C افزایش در دمای محیط تقرباًی 1 کاهش توان تولیدی را در پی خواهد داشت. جهت بهبود عملکرد چرخههای توربین گازی روشهای مختلفی وجود دارد که در برخی از این روشها با افزودن یک جزء به چرخه، عملکرد را بهبود میبخشند و در برخی دیگر، از چرخه دیگری به عنوان چرخه تحتانی استفاده میشود. این روشها عبارتند از : بکاربردن مبادله کن گرمایی - Cengel.Yunus، pp 62-68 :2002 - ، استفاده از خنک کن میانی در بین طبقات کمپرسور، بازگرمای، بکار بردن مبادله کن گرمایی و خنک کن میانی - H.Cohen، - 1987 ، بکاربردن مبادله کن گرمایی و بازگرمایش - H.Cohen، - 1987، بکار بردن مبادله کن گرمایی به همراه خنک کن میانی و بازگرمایش - H.Cohen، - 1987، تزریق بخار - T. Heppenstall، - pp 837-84 :1998، چرخه تبخیری - T. Heppenstall، - pp 837-84 :1998، چرخه توربین گازی با بازیاب شیمیایی - T. Heppenstall، - pp 837-84 :1998، چرخه ترکیبی - J.Sigler, D.Erickson، - 2001 چرخه توربین گازی با اکسیداسیون جزئی - Randeco. V، - pp 986-993 :1977 خنک کاری پرههای توربین - P. N. Walsh، pp 152-156 :1995 - ، چرخه توربین هوای مرطوب - J. Szargut، 2002، - pp 1-15، خنک کاری هوای ورودی کمپرسور - E. Kakaras، - 2001، سرمایش تبخیری - P. E. Cortes، - 2003، سیستم مه سازی B Omidvar - ، 2001؛ ASHRAE ، - 2004 ، سیستم تبرید مکانیکی - P. E. Cortes، - 2003، تبرید مکانیکی با ذخیره یخ یا آب خنک و روش چیلر جذبی - M. MMostafavi، - pp 847 :1998 می باشد.
بررسی هایی که اثرات دما، فشار، رطوبت نسبی و دمای ورودی توربین را بر توان و بازده توربین گازی مورد بررسی قرار داده اند، نشان می دهند که دمای هوای محیط بیشترین تاثیر را بر بازدهی توربین گازی دارد. با سرد کردن هوای ورودی، نوسانات توان ویژه و بازده کاهش مییابد. یکی از روشهای کاهش دمای هوای ورودی بخصوص در مناطق گرم و مرطوب، سیکل تبرید جذبی است که در آن میتوان از حرارت گازهای خروجی توربین گازی به عنوان محرک سیکل تبرید استفاده کرد M. MMostafavi - ، . - pp 847 :1998 استفاده از روشهای مختلف تبرید در بازه های زمانی با توجه به محدودیتهای تکنولوژی متفاوت بوده است اما طی چند دهه اخیر با توجه به محدودیت منابع انرژی، بالا بودن رشد جمعیت و نیاز به تقاضای بیشتر انرژی و مشکلات زیست محیطی استفاده از سیکلهایی که توانایی به کار گیری انرژی های اتلافی و انرژی های تجدید پذیر را دارند مورد توجه قرار گرفتهاند، لذا سیکلهای جذبی با برخورداری از چنین توانایی بیش از پیش در کانون توجه قرار دارند. در چیلرهای جذبی پای کار مکانیکی در میان نیست هیچ انرژی مکانیکی صرف جابه جایی بخار آب از اواپراتور به ابزوربر و سپس از ژنراتور به کندانسور نمی شود. چنانچه از توان بسیار اندک پمپ ژنراتور به نسبت مصرف بسیار زیاد کمپرسور در گذریم، می توانیم بگوییم تمام انرژی مورد نیاز در چیلر جذبی از جنس گرمایی است و نه الکترومکانیکی. بزرگ ترین اختلاف در چرخه سیستم های جذبی و تراکمی نیز از همین جا ناشی می شود. کمپرسور با انجام کار مکانیکی و استفاده از انرژی الکتریکی موفق به جابه جایی مبرد و کامل شدن چرخه سرمایش می شود. در حالی که در چیلرهای جذبی نوعی فعل و انفعال شیمیایی در مجاورت گرما، چرخه سرمایش را به وجود می آورد. حرکت مستمر کمپرسور، استهلاک زیادی به همراه دارد و در نتیجه عمر چیلرهای تراکمی نسبت به چیلرهای جذبی در شرایط یکسان بهره برداری و نگهداری کمتر و هزینه های تعمیر و نگهداری آن بیشتر است. چیلرهای جذبی از نظر نوع ماده مبرد و جاذب معمولا به سه نوع سیستم سرمایش جذبی با مبرد آب و ماده جاذب محلول لیتیم بروماید، سیستم سرمایش جذبی با مبرد آمونیاک و ماده جاذب آب و سیستم سرمایش جذبی با مبرد آب و جاذب جامد - سیلیکاژلی - طبقه بندی میشوند. سیکلهایی که از جفت لیتیوم بروماید/آب به عنوان سیال عامل استفاده میکنند دارای ظریب عملکرد بالایی نسبت به سیکلهای آب/آمونیاک می باشند بنابر کاربرد بیشتری دارند. ماده مبرد در چیلرهای جذبی لیتیوم بروماید/آب، آب است که به وفور در طبیعت یافت می شود و نه تنها عوارض زیست محیطی ندارد، بلکه مایه حیات هم محسوب می شود. این در حالی است که در چیلرهای تراکمی از انواع مبردهای شیمیایی استفاده می شود که اکثر آن ها از نوع کلروفلورئورکربن ها بوده و مدت ها است که آثار زیان بار آن ها برای محیط زیست آشکار شده است.
اما ترویج استفاده این سیستمها مستلزم بهبود و افزایش کارایی آنهاست. یکی از کارهایی که در جهت بهبود کارآیی این چرخه ها انجام گرفته است استفاده از کلکتورهای خورشیدی در این سیستم هاست. انرژی خورشیدی یکی از پاک ترین و بزرگ ترین منابع انرژی های تجدیدپذیر است که به علت نیاز نداشتن به فن آوری های پیشرفته و پرهزینه، به عنوان یک منبع مفید و تأمین کننده انرژی در اکثر نقاط جهان رو به وسعت است واقع شدن ایران در عرض جغرافیایی بین 25درجه تا 40 درجه شمالی ، میانگین انرژی خورشیدی حدود 19,23 در سال و و میزان ساعات آفتابی بیش از 2800 ساعات همچنین سیاست های دولت برای گسترش تولید انرژی از روش های نوین، همه نشان از پتانسیل بالای ایران در زمینه انرژی خورشیدی است. سازگارترین نوع چیلر جذبی خورشیدی، چیلر جذبی تک اثره با تغذیه آبگرم و مناسب ترین گردآور خورشیدی جهت کاربری سرمایش، گردآورهای از نوع لوله تخلیه ای می باشد.توان ژنراتور این چیلر جذبی تک اثره 236 کیلووات می باشد که با استفاده از 5 مربع گردآور لوله تخلیه ای،توان مورد نیاز تامین خواهد شد - امیر فلاحتکار، - 1389 تحقیق حاضربه منظور ارزیابی میزان بهبود عملکرد چرخههای توربین گازی ساده با خنک کاری هوای ورودی سیکل تبرید جذبی ساده و کلکتور خورشیدی میباشد. انجام محاسبات اجزای مختلف چرخهها بیشتر براساس قانون اول ترمودینامیک و قوانین حاکم بر گازها و با استفاده از نرمافزار Klein SA - EES، - 2013 انجام خواهد گرفت و به منظور اطمینان از درستی محاسبات نتایج مدل سازی با نتایج تجربی در دسترس چرخههای سادهتر مقایسه میشود. به این ترتیب میتوان پیشگوییهاینسبتاً دقیقی از عملکرد چرخههای مورد بحث ارائه نمود.
-2 معرفی و شرح سیکل
طرحواره مورد استفاده در این مقاله در شکل 1 نشان داده شده است که از یک سیکل تبرید جذبی تک اثره لیتیوم برماید/آب و یک سیکل توربین گاز تشکیل شده است.چیلرهای جذبی لیتیوم برماید/آب به دلیل امکان استفاده از منابع دما پایین مورد توجه هستند. انرژی ژئوترمال، انرژی خورشیدی و حرارت دفع شده از نیروگاه های همزایی یا بخار، از جمله منابع انرژی حرارتی ارزان هستند.
