بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این تحقیق، تحلیل انرژی یک نیروگاه مگنتوهیدرودینامیک با سیال عامل هلیوم به همراه دانه زنون که جهت تامین حرارت مورد نیاز وارد محفظه احتراق در یک سیکل پایه نیروگاهی با سوخت گاز طبیعی می شود، مورد بررسی و مطالعه قرار داده شده است. نیروگاه مگنتوهیدرودینامیک، یک سیستم تبدیل مستقیم انرژی از انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی بدون قطعات متحرک مکانیکی می باشد، بطوریکه در یک ژنراتور ام.اچ.دی یک پلاسما حرارتی در حال حرکت در میدان مغناطیسی است و انرژی الکتریکی را تولید می کند.
راندمان ام.اچ.دی معمولا کمتر از سیستم های تبدیل انرژی معمول است، اما دسترسی به انرژی حرارتی در دمای بالا می تواند راندمان کلی نیروگاه را بالا ببرد. سیکل پایه مگنتوهیدرودینامیک در نرم افزار EES مدل سازی و از دیدگاه های قانون اول مورد تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی قرار گرفته شد. نتایج تجزیه و تحلیل نشان می دهد که حداکثر راندمان قانون اول چرخه با بار نامی 250 مگاوات با استفاده از ژنراتور ام.اچ.دی فارادی در دمای خروجی 2300 کلوین و استخراج آنتالپی 34/79 %، در حدود % 51/17 بدست آمد.
-1 مقدمه
در طی سال های اخیر، بسیاری از محققان به فکر انرژی های نو جایگزین و روش هایی هستند که می توانند به بهبود بازده کلی نیروگاه های مرسوم کمک کنند. یکی از روش های تولید انرژی در چرخه های پر بازده استفاده از نیروگاه های مگنتوهیدرودینامیک است که با استفاده از روش تولید مستقیم انرژی جریان الکتریسیته را تولید می نماید و دارای بازده 80-60 درصد است.
در این مطالعه، توصیفی از سیستم و تحلیل ترمودینامیکی سیستم تبدیل ام اچ دی و روش مدل سازی در نرم افزار EES برای راندمان قانون اول ترمودینامیک را ارائه می دهد. همچنین در این پژوهش، مروری بر مطالعات انجام شده در ارتباط با ژنراتور ام اچ دی کهعمدتاً مشتمل بر تحلیل قانون اول و یا شبیه سازی عددی یا ریاضی ژنراتور ام اچ دی برای جریان و هندسه های مختلف می باشد، مورد بررسی قرار گرفته است.
لینگن چن و همکاران در سال 2002، به بیان تحلیلی برای قدرت خروجی و راندمان برای نیروگاه ام اچ دی همراه با درجه حرارت متغیر - ظرفیت محدود - مخازن گرما تحت شرایطی که گاز دارای سرعت و عدد ماخ ثابت می باشد. نتایج آنها نشان داد که در یک نسبت فشار بهینه به حداکثر توان خروجی و راندمان برای هر دو حالت سرعت و عدد ماخ ثابت وجود دارد. قاندرا و پان دی در سال 2005، به طراحی مخصوصی و کاربردی یک سیکل ام اچ دی با سیال عامل فلز مایع برای تولید هیدروژن پرداختند.
در این سیکل از انرژی خورشیدی برای تأمین گرمای مورد نیاز به جای محفظه احتراق استفاده گردید. نتیجه این تحقیق دستیابی به انرژی 4/7 کیلووات ساعت بر مترمکعب بود. لیتچ فورد و همکاران در سال 2011، به مطالعه مقدماتی یک سیکل بسته ژنراتور تولید برق مگنتوهیدرودینامیکی چند مگاواتی با سوخت هسته با ترکیب سیال های عامل هلیوم و زنون، جهت کاربرد فضایی پرداختند. بر اساس تحلیل قانون اول ترمودینامیک به راندمان کلی55/2 درصد دست یافتند.
یی ون و همکاران در سال 2011، یک تحقیق مقدماتی آزمایشگاهی ژنراتور تولید بر مگنتوهیدرودینامیکی با جریان آرگون تغذیه شده مافوق صوت را به عنوان سیال عامل با تزریق پودر کربنات پتاسیم انجام دادند. وقتی که سرعت خروجی از نازل 1959 m/s، قدرت میدان مغناطیسی 0/5 تسلا و میانگین رسانندگی حدود 20 S/M بود بیشترین نرخ توان تولید شده به 4/7971 مگاوات بر متر مکعب رسید.
خلیلی و همکاران در سال 2015 ، در این تحقیق به شبیه سازی جریان مگنتو هیدرودینامیک فروصوت در ژنراتور ام. اچ.دی در سطح مقطع متغیر صورت گرفت و اثر آن بر راندمان و توان الکتریکی چرخه ترکیبی سه گانه مورد بررسی و مطالعه قرار دادند. محمد کاهن و همکاران در سال 2017، با هدف شبیه سازی و مدل سازی نظری دو سیکل باز با توربین گاز در آفریقای جنوبی، که هر کدام می تواند به سیکل ترکیبی توربین های بخار و گاز با پایه ام اچ دی تبدیل شود، به مورد بررسی و مطالعه پرداختند. نتایج آنها نشان داد که سیستم به راندمان بالایی - تا - % 50 می تواند به دست آید.
-2 توصیف سیستم
اولین سیستم تبدیل ام اچ دی توسط مایکل فارادی در سال 1832 کشف شد و تولید موفق ام اچ دی تا سال ها - تا - 1930 خیلی کم مورد توجه قرا گرفت. در این سیستم نوع سیال در این ژنراتور یک شاره از گاز یونیزه شده است که نسبت بزرگی از انرژی اولیه ذخیره شده در آن تبدیل به انرژی جنبشی ناشی از خروجی نازل شده است، به مجرا تزریق می شود. در داخل مجرای ام اچ دی، سیال هادی الکتریسیته با زاویه قائم به داخل خطوط یک میدان مغناطیسی تزریق می شود که باعث ایجاد میدان الکتریکی عمود بر جهت جریان فواره پلاسما و جهت چگالی شار مغناطیسی در پلاسما القا می شود. سپس یون های مثبت و منفی سیال یونیزه شده توسط الکترودها تحت زاویه 90 درجه نسبت به میدان مغناطیسی القا شده و باعث ایجاد جریان الکتریکی خواهد شد. جزئیات سیکل پیشنهادی به شرح زیر است:
-1-2 سیکل بسته مگنتوهیدرودینامیک
در سیستم سیکل بسته مگنتوهیدرودینامیک طبق شکل 1، گاز خنثی - هلیوم - وارد جهت تامین انرژی مورد نیاز وارد یک محفظه احتراق شده و تا دمای 1800 کلوین حرارت داده می شود برای افزایش رسانندگی الکتریکی از بذر زنون بکار برده می شود. سپس گاز یونیزه از طریق مجرای ام اچ دی جریان می یابد تا تولید قدرت کند. گاز داغ خروجی از مجرای ام اچ دی و دیفیوزر جهت گرمایش سیال عامل ورودی به محفظه احتراق وارد رکوپراتور می شود. سیستم ام اچ دی شامل شش قسمت اصلی عبارتنداز: رکوپراتور، محفظه احتراق، مجرای ام اچ دی، کولر، کمپرسور و اینترکولر و تحت فرایند ترمودینامیکی فشار ثابت در کولر و اینترکولر و تراکم ایزوتروپیک در کمپرسورها می باشد.
-3 آنالیز ترمودینامیکی
یک مدل ترمودینامیکی برای سیکل بسته ام اچ دی در این قسمت مشخص شده است. در این مدل اساسا از موازنه جرم و انرژی برای تعیین حرارت ورودی و راندمان انرژی استفاده می شود. حل این معادلات و روابط خاص ترمودینامیکی در نرم افزار EES، عملکرد سیکل را شبیه سازی می کند. قبل از تعیین مدل ریاضی، مفروضات مورد استفاده در زیر آورده شده است:
- 1 جریان گاز در تمامی اجزا بصورت یکنواخت و پایدار است.
- 2 از تغییرات انرژی جنبشی و پتانسیل صرف نظر شده است.
- 3 سوخت تزریق شده به محفظه احتراق گاز طبیعی است.
- 4 سیال عامل گاز ایده آل با خواص ترمودینامیکی ثابت در نظر گرفته می شود.
- 5 گاز در شرایط فشار و سرعت ثابت در حال جریان است.
ضمنا، جدول 1 خلاصه از مقادیر پارامتر های ورودی برای چرخه پایه ام اچ دی پیشنهادی ارائه شده است. برای مقایسه بهتر، نمودار T-S برای سیکل بسته ام اچ دی در شکل 2 نشان داده شده است.
-1-3 آنالیز انرژی
برای بدست آوردن پارامترهای طراحی فیزیکی و حرارتی بهینه سیستم، یک برنامه شبیه سازی با نرم افزار EES تهیه شده است. آنتالپی ورودی و خروجی در هر یک از لاین های سیکل بسته ام اچ دی پایه، کدنویسی آنتالپی ورودی و خروجی در هر یک از لاین های سیکل
شکل - : - 1 طرحواره ای مقدماتی از سیکل ام اچ دی
شکل : - 2 - دیاگرام T-S
بسته ام اچ دی پایه، کدنویسی و محاسبه شده است. برای یک جرم کنترل برهم کنش انرژی برای یک سیستم را می توان به دو بخش dQ مقدار گرما و dW مقدار کار تقسیم نمود و به صورت زیر بیان نمود
