بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
ترمودینامیک، کاربردها و بهینه سازی سیکل رانکین آلی
خلاصه
به منظور اطمینان از تولید الکتریسیته بدون آلودگی محیط زیست، تکنولوژی های نوین تبدیل انرژی لازم هستند. از بین آنها، منابع گرمایی دما پایین یا منابع گرمایی با قدرت پایین، پتانسیل بالایی برای توسعه دارند. سیکل رانکین آلی1 (ORC) از اوایل دهه 1980 بعنوان یک تکنولوژی خوب شناخته شده است. تاکنون تعداد زیادی از نیروگاه های ORC ساخته شدهاند که اغلب برای کاربردهای زمین گرمایی، بازیابی گرمای تلف شده و سیستمهای تولید همزمان گرما و توان میباشند. این فناوری مزیتهای بیشتری نسبت به سیکل رانکین بخار رایج دارد که آن را علیرغم داشتن بازده پایین، برای نیروگاههای توان الکتریکی با خروجی محدود (کمتر از (1MWe، مناسب میسازد.
بهینهسازی سیکل ORCکاملاً با سیکل بخار فرق می کند،عمدتاً به خاطر محدودیت دمای منبع گرم و اینکه هیچ قیدی برای کیفیت بخار در انتهای مرحله انبساط وجود ندارد. در این مقاله، وضعیت فعلی تکنولوژی ORC و کاربردهای اصلی آنرا را بررسی میکنیم. مدلسازی چنین سیکلی تشریح می شود و مسایلی مانند انتخاب سیال عامل، بهینهسازی یا کنترل سیکل بررسی میشود.
کلمات کلیدی: سیکل رانکین آلی، بهینهسازی، سیال عامل.
.1 مقدمه
در قرن اخیر،رشد اقتصادی جهان به شکل چشم گیری در حال شتاب گرفتن است. توسعه صنایع،افزایش تعداد وسایل نقلیه وافزایش وسایل خانگی مصرف کننده انرژی، باعث افزایش قابل توجه نیاز به انرژی شده اند.
این نیاز به انرژی عمدتا بااستفاده از سوختهای فسیلی برطرف میشود که باعث ایجاد مشکلات زیست محیطی مانند افزایش دمای جهانی یا آلودگی هوا میشود.
راه حلهای متعددی برای تولید الکتریسیته از منابع گرمای جایگزین،مانند منابع گرمای دما پایین، پیشنهاد شدهاند.از میان راه حلهای پیشنهادی، سیکل رانکین آلی بیشترین کاربرد را داشته است.این سیستم از همان اجزای سیکل رایج
بخار تشکیل شده است(بویلر، توربین ،کندانسور و پمپ ).اما سیال عامل استفاده شده، سیال آلی میباشد که دمای جوش پایینتری نسبت به آب دارد و تولید توان از منابع گرمایی دما پایین را امکان پذیر مینماید.
موفقیت تکنولوژی سیکل رانکین آلی تا حدی می تواند مربوط به تطبیق پذیری آن باشد:با .این موفقیت با رشد تکنولوژی بالای اغلب اجزای سیکل بیش تر شد،بدون نیاز به اصلاحات زیاد،یک سیکل می تواند با منابع گرمای متفاوت کار کند. علاوه بر این،برخلاف سیکل های تولید توان رایج، ساخت واحدهای کوچک و محلی تولید توان با استفاده از این تکنولوژی امکان پذیر می باشد.
امروزه،سیکل رانکین آلی به صورت تجاری و در بازه توان Mw ،موجود می باشد.اما برای مقیاس Kw مناسب نمی باشد.
این مقاله، وضعیت فعلی این تکنولوژی را بررسی کرده و کاربردهای اصلی را بیان می کند.مدل سازی این سیکل توضیح داده شده و مسایلی مانند انتخاب سیال عامل،بهینه سازی و کنترل سیکل نیز بررسی شده اند.
.2 مروری بر سیکل بخار رایج
چرخه بخار رانکین از آب به عنوان سیال عامل استفاده میکند. ابتدا به عنوان موتور بخار توسعه یافت که یک چرخه باز است: آب متراکم میشود، بخار میشود، منبسط شده و سپس به اتمسفر تخلیه میشود. امروزه سیکل بسته کلازیوس-رانکین پیشنهاد شده است، که در شکل 1 نشان داده شده است. در این سیکل، آب مایع (نقطه (6 فشرده میشود (6-1)، سپس تا دمای تبخیر گرم میشود (2-3) و مافوق گرم میشود .(3-4)
شکل -1 نحوه کارکرد چرخه کلازیوس- رانکین
کار مکانیکی توربین به وسیله انبساط بخار فشار بالا تا فشار چگالش تولید میشود و در نهایت سیکل با چگالیده شدن بخار فشار بالا تا فشار چگالش، بسته میشود. این سیکل میتواند در نمودارهای ترمودینامیکی مختلفی نشان داده شود مانند T-S، P-h یا . P- v
در این مقاله از نمودار T-S استفاده میشود چون برگشتناپذیری ها در توربین و مبدلهای حرارتی را بهتر نشان میدهد. فازهای مختلف چرخه به شرح زیر میباشد:
:6-1 تراکم مایع در پمپ. نقاط 1 و 6 در نمودار T-Sتقریباً روی هم میافتند. اگر سیال تراکمناپذیر و پمپ آیزنتروپیک باشند آنتروپی افزایش نخواهد داشت و دما هم ثابت باقی میماند.
:1-2 پیش گرم کردن مایع . در چرخه ایدهآل این انتقال حرارت در فشار ثابت انجام شده و دما و آنتروپی افزایش می یابند. :2-3 تبخیر. مایع به دمای اشباع رسیده و شروع به جوشش می کند. دما ثابت مانده و آنتروپی افزایش مییابد.
:3-4 فوق گرمایش. بخار در بویلر به حالت مافوق گرم میرسد و دما و آنتروپی افزایش مییابند.
:4-5 انبساط. در سیکل ایدهآل، منبسطکننده آیزنتروپیک است (یعنی خط 4-5 عمودی است). در چرخه واقعی، برگشتناپذیریها ایجاد شده و باعث افزایش آنتروپی میشوند.
:5-6 چگالش. در پایان انبساط، بخار شروع به چگالش میکند، تا زمانی که فقط مایع باقی بماند. دما ثابت بوده و آنتروپی کاهش مییابد.
در کل، تراکم یک مایع انرژی کمتری از تراکم گاز مصرف میکند. در چرخه رانکین انرژی مصرفی پمپ بسیار کمتر از الکتریسیته تولیدی است و توان خالص تولیدی، مثبت است. بازده سیکل با تقسیم توان خالص خروجی به جریان گرمای داخل بویلر به دست میآید. برای سیکل پایه نشان داده شده در شکل 1 و 2بازده تقریباًنزدیک %30 است.
شکل -2 نمودار دما- انتروپی سیکل رانکین
2.1 محدودیتها و بهینهسازی
توان و بازده سیکل رانکین ایدهآل میتواند به توان و بازده یک سیکل کارنو معادل که بین متوسط دمای گرم (بویلر) و دمای چگالش کار می کند، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. (موران (2004
شکل -3 چرخه کارنو معادل چرخه رانکین
بازده هر سیکل میتواند به وسیله بازده چرخه کارنو نمایش داده شود:
که دمای متوسط منبع گرم و دمای چگالش است (بر اساس درجه کلوین). این بازده با افزایش دمای منبع گرم افزایش مییابد. منحنی تبخیر 4-3- 2-1) در شکل (3 صعود میکند، متوسط دمای گرم و همچنین بازده سیکل افزایش پیدا میکند. به طور خلاصه، افزایش بازده سیکل رانکین پایه میتواند به دو روش حاصل شود: افزایش متوسط دمای منبع گرم و کاهش دمای چگالش.
دمای چگالش (و یا فشار) توسط دمای چاه گرما (منبع سرد) محدود میشود. اگر از برج خنککن استفاده شود، این دما تقریباً دمای هوای محیط است. بنابراین امکان کمی برای بهینهسازی این پارامتر وجود دارد. هنگام تلاش برای افزایش
متوسط دمای منبع گرم، دو درجه آزادی وجود دارد: دمای تبخیر و دمای ورودی توربین ( ).
برای سیکل نشان داده شده در شکل 3، افزایش فوق گرمایش به میزان 1 کلوین، باعث افزایش بازده تا %0.041 میشود در حالی که 1 کلوین افزایش دمای تبخیر، بازده را % 0.085 افزایش میدهد. بنابراین هدف اصلی افزایش فشار/ دمای تبخیر و نه دمای ورودی توربین میباشد. این افزایش دما به دلیل محدودیتهای زیر نمیتواند نامحدود باشد:
دمای ورودی توربین (TIT) با توجه به مسایل طراحی توربین، محدود میشود: دمای بالا می تواند مقاومت تیغهها و طول عمر توربین را کاهش دهد. این بازه معمولاً شامل دمای 500-600 درجه سلسیوس میشود. هدف تحقیق فعلی بالا بردن این دمای ماکزیمم با استفاده از آلیاژهای مقاوم در برابر دمای بالا است .(Leyzerorich,2008)
وجود قطرات مایع در داخل بخار میتواند باعث خوردگی تیغهها و کاهش عمر آنها شود. بنابراین، کیفیت بخار (جرم بخار تقسیم بر جرم کل مایع و بخار) همیشه باید بالای 0.9 نگه داشته شود. این محدودیتها روی دمای تبخیر ماکزیمم تاثیر دارند، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است.
