بخشی از مقاله
چکیده
ما در این مقاله به بررسی و تحلیل جامع اگزرژی یک پمپ حرارتی زمین گرمایی در نیروگاه زمین گرمایی مشکین شهر خواهیم پرداخت.
فرمول ها و تحلیل ها برای اتلاف اگزرژی , بازده اگزرژی, نسبت اتلاف اگزرژی, ضریب اتلاف اگزرژی برای تمام اجزا سیستم ارائه شده است. هر دو حالت سرمایش و گرمایش نیز مورد بررسی و تحلیل قرار می گیرد. با توجه به نتایج بایستی کلیه این شاخص ها برای بهبود و بهینه سازی پمپ حرارتی مورد بررسی قرار گیرد. همچنین در نتایج نهایی بیشترین اتلاف اگزرژی , ضریب اتلاف اگزرژی و نسبت اتلاف اگزرژی متلق به کمپرسور است. این در حالیست که کمترین بازدهی نیز متعلق به همین جز است.
همچنین نتایج نشان دهنده ی این نکته است که فن کویل, مبدل حرارتی زمین گرمایی و کندانسور - در حالت سرمایش - دیگر اجزایی هستند که می توان برای طراحی و بهینه سازی یک پمپ حرارتی با استفاده از منابع موجود ذکر شده مورد استفاده قرار داد.
.1 مقدمه
توجه به انواع انرژی غیر وارداتی و متفاوت از سوخت فسیلی نکتهای است که در بسیاری از کشورهای دنیا مبنای برنامه ریزی های بلند مدت قرار گرفته است. از سوی دیگر با افزایش بحران آلایندههای ناشی از سوختهای فسیلی ، توجه به فاکتورهای زیست محیطی توسط ارگانها و نهادهای بین المللی و نیز توجه برنامه ریزان به استفاده از انرژی تجدیدپذیر موجب گردیده تا امروزه به این مباحث با جدیت بیشتری پرداخته شود . انرژی زمین گرمایی نیزیکی از منابع انرژیهای تجدیدپذیر میباشد .
اصطلاح زمین گرمایی ترجمه واژه Geothermalاست که ریشه یونانی داشته و از کلمات Geoبه معنای زمین و Thermeبه معنی حرارت تشکیل شده است. انرژی زمین گرمایی، انرژی موجود در عمق زمین است که از انرژی خورشیدی که در طول هزاران سال در داخل زمین ذخیره شده و همچنین فروپاشی یا زوال ایزوتوپ های اورانیوم رادیو اکتیویته،توریم و پتاسیم در طی سالیان درازدرعمق زمین نشات گرفته است که عمدتا در نواحی زلزله خیز و آتشفشانی جوان و صفحات تکتونیکی زمین متمرکز شده است .
زمین منبع عظیمی از انرژی است بطوریکه حرارت در هسته آن بیش از 5000 درجه سانتیگراد می رسد حرارت زمین به طرق مختلف از جمله فوران آتشفشان - چشمه های ابگرم- ابفشانها- و گلفشانها در اثر کاهش چگالی زمین و خاصیت رسانایی از بخشهایی از زمین به سطح آن هدایت میشوند.
درجه حرارت زمین با توجه به عمق آن به صورت غیر خطی زیاد میشود. - با تقریب خطی هر 100 متر 3 درجه سانتی گراد - انرژی حرارتی ذخیره شده در 11 کیلومتر فوقانی پوسته زمین معادل پنجاه هزار برابر کل انرژی به دست آمده از منابع نفت وگاز شناخته شده امروزجهان است. انرژی زمین گرمایی بر خلاف سایر انرژیهای تجدید پذیر محدود به فصل ، زمان وشرایط خاصی نبوده بدون وقفه قابل بهره برداری می باشد. همچنین قیمت تمام شده برق در نیروگاههای زمین گرمایی با برق تولیدی از سایر نیروگاههای متعارف - فسیلی - قابل رقابت بوده و حتی از انواع دیگر انرژیهای نو بمراتب ارزانتر است.
.2,1 تاریخچه ی انرژی زمین گرمایی در ایران:
در ایران از سال 1354 مطالعات گسترده ای بمنظور شناسایی پتانسیل های منبع انرژی زمین گرمایی توسط وزارت نیرو با همکاری مهندسین مشاور ایتالیایی ENEL در نواحی شمال و شمال غرب ایران در محدوده ای به وسعت 260 هزار کیلومتر مربع آغاز گردید.
نتیجه این تحقیقات مشخص نمود که مناطق سبلان، دماوند، خوی، ماکو و سهند با مساحتی بالغ بر 31 هزار کیلومتر مربع جهت انجام مطالعات تکمیلی و بهره برداری از انرژی زمین گرمایی مناسب می باشند. در همین راستا برنامه اکتشاف، مشتمل بر بررسیهای زمین شناسی، ژئوفیزیک و ژئوشیمیایی برنامه ریزی شد.
در سال 1361 با پایان یافتن مطالعات اکتشاف مقدماتی در هر یک از مناطق ذکر شده، نواحی مستعد با دقت بیشتری شناسایی شده و در نتیجه در منطقه سبلان: نواحی مشکین شهر، سرعین و بوشلی، در منطقه دماوند ناحیه: نونال، در منطقه ماکو- خوی نواحی: سیاه چشمه و قطور و در منطقه سهند پنج ناحیه کوچکتر جهت تمرکز فعالیتهای فاز اکتشاف تکمیلی انتخاب شدند.
پس از یک وقفه نسبتاً طولانی و با هدف فعال نمودن مجدد طرح، گزارشهای موجود مجدداً در سال 1369 توسط کارشناسان UNDP بازنگری شده و منطقه زمین گرمایی مشکین شهر بعنوان اولین اولویت جهت ادامه مطالعات اکتشافی معرفی شد.
پیرو مطالعات ذکر شده پروژه انجام حفاری های اکتشافی ، تزریقی، توصیفی به منظور شناسایی بیشتر پتانسیل در منطقه سرعین مشکین شهر در سال تعریف 1381گردید که عملیات حفر اولین چاه زمین گرمایی نیز در همان سال آغاز گردید .فاز اول این پروژه در سال 1383 اتمام یافت که درمجموع سه حلقه چاه اکتشافی و دو حلقه چاه تزریقی در این مرحله حفر گردید و تست دوحلقه از سه حلقه چاه اکتشافی با موفقیت انجام گرفت که مهم ترین دستاورد این فاز از پروژه کسب دانش فنی مربوط به حفر چاههای زمین گرمایی بود . فاز دوم این پروژه در سال 1384 آغاز گردید.
.3,1 توانمندی های حاصله در کشور در حوزه انرژی زمین گرمایی:
در پروژه توسعه میدان زمین گرمایی و ساخت نیروگاه مشکین شهر مراحل حفاری چاهها،بهره برداری از چاه ها در دوره تست،ساخت دستگاههای مربوط به تست در کشور کاملا بومی شده و توسط متخصصان داخلی به انجام رسیده است. همچنین در زمینه استفاده از پمپ های حرارتی زمین گرمایی تا کنون تکنولوژی نصب کویل های زمینی به صورت کامل و %100 در کشورمان ایران بومی شده است.
.2 تشریح فرآیندهای پمپ حرارتی زمین گرمایی در صورتی که بخواهیم از دمای پایین تر از 60 درجه سانتی گراد منابع زمین گرمایی برای گرمایش استفاده کنیم, بهترین راه استفاده از پمپ های حرارتی است. یک پمپ حرارتی می تواند تهویه ی مطبوع سالیانه یک محیط مسکونی ,تجاری و ... را با فراهم کردن گرمایش در زمستان و سرمایش در تابستان با استفاده از منابع دمای پایین فراهم آورد. یک پمپ حرارتی زمین گرمایی ,همانطور که در شکل1 نشان داده شده است از 3 فرایند اصلی تشکیل می شود: . 1 انتقال حرارت در مبدل حرارتی زمین گرمایی , اوپراتور و کندانسور . 2 ترکم در کمپرسور . 3 خفگی در شیر فشار شکن.
شکل - 1 - نمایش شماتیک یک پمپ حرارتی
.1,2 چرخه ی گرمایش در چرخه گرمایش محلول آب و ضد یخ یا مبرد - که برای دریافت
گرما از خاک در لوله جریان دارد - وارد پمپ حرارتی می شود. در برخی سیستم ها که از آب زیر زمینی یا چشمه های آب گرم استفاده می کنند , این سیال وارد مبدل حرارتی زمین گرمایی می شود و در آنجا گرمای خود را به مبرد می دهد.
در اپراتور گرما باعث جوش مبرد میشود و آن را به بخار تبدیل می کند. شیر بازگشت پذیر مبرد را در حالت بخار به کمپرسور هدایت می کند. سپس بخار , فشرده شده و حجم آن کاهش میابد. این کاهش حجم باعث افزایش دمای دمای بخار مبرد می گردد. شیر بازگشت پذیر بعدی , گاز داغ را به کندانسور هدایت می کند. جایی که گرمای مبرد به آب یا هوا داده می شود تا با چرخش در طول سیستم مجراهای داخلی محیط , گرمایش مورد نیاز را تامین کنند. پس از آنکه مبرد , گرمای خودر ا در کندانسور از دست داد وارد یک شیر فشار شکن می شود که در آن فشار و دما به شدت افت می کند. پس از آن مبرد دوباره وارد نخستین مبدل حرارتی می شود تا چرخه را دوباره آغاز کند
.2,2 چرخه ی سرمایش چرخه ی سرمایش در واقع معکوس چرخه ی گرمایش است.
در این حالت جهت جریان مبرد با استفاده از یک شیر چهار طرفه تغییر می یابد. مبرد گرما را از محیط داخلی دریافت , و آن را به اپراتور منتقل می کند. - مسیر . - 6- 5 سپس گرما با طی کردن چرخه ی معکوس گرمایش , در کندانسور به بیرون انتقال می یابد.
.3 معادلات و تحلیل های اگزرژی شاخص های اگزرژی مهم برای سیستم های انرژی شامل پنج
شاخص هستند. این شاخص ها عبارتند از اتلاف اگزرژی 1 نسبت اتلاف اگزرژی2ضریب اتلاف اگزرژی3 بازدهی اگزرژی4 و درجه ی کمال ترمودینامیکی. 5 در ادامه به تعریف شاخص های فوق می پردازیم:
. اتلاف اگزرژی : این شاخص از تفاوت اگزرژی ورودی و خروجی یک جز یا کل سیستم به دست می آید.
. نسبت اتلاف اگزرژی : این شاخص بیان گر نسبت اگزرژی از دست رفته یک جز به اگزرژی از دست رفته ی کل سیستم است.
. ضریب اتلاف اگزرژی : این شاخص نشان دهنده ی نسبت اتلاف اگزرژی یک جز به کل کار ورودی سیستم است.
. بازدهی اگزرژی : بیان گر نسبت اگزرژی خروجی مطلوب به اگزرژی استفاده شده - کار ورودی - در جز یا کل سیستم است.
. درجه ی کمال ترمودینامیکی : نشان دهنده ی نسبت اگزرژی ورودی یک جز یا کل سیستم است. این شاخص در واقع , میزان بازگشت ناپذیری فرآیند انرژی است. این شاخص هرچه به عدد 1/00 نزدیکتر باشد , نشان دهنده ی نزدیک تر بودن به فرآیند بازگشت پذیر خواهد بود.
1,3 بررسی شاخص های اگزرژی نرخ از دست رفتن یا اتلاف اگزرژی با معادله ی زیر داده میشود: -
که در آن ∑ و ∑ به ترتیب , مجموع نرخ اگزرژی ورودی و خروجی در فرآیند می باشند. بسته به اینکه جهت انتقال حرارت به سیستم چگونه باشد, Q مثبت یا منفی در نظر گرفته می شود. Win نیز نشانگر کار ورودی به فرآیند است.
