بخشی از مقاله
چکیده
-به منظور استفاده بهینه و مقرون به صرفه از سیکل تولید توان، میتوان از منابع انرژی دما پایین مانند انرژی زمین گرمایی استفاده نمود. سیکل کالینا - Kalina Cycle - یکی از انواع سیکلهای تولید توان است که میتواند با استفاده از منابع انرژی دما پایین کار کند. در این مقاله، ترکیب جدیدی از سیکل کالینا ارائه شده است که در آن سیکل کالینا به صورت آبشاری به سیکل تبرید جذبی متصل شده است. در این سیستم، از سیکل کالینا به عنوان سیکل پایه برای به کار انداختن سیکل تبرید جذبی استفاده شده است. دو سیکل از طریق یک مبدل حرارتی به یکدیگر متصل شدهاند. این مبدل، نقش کندانسور را برای سیکل کالینا و دزوربر را برای سیکل تبرید جذبی دارد. نتایج نشان دادند که بازده سیستم ترکیبی 41/03% بوده و مقدار ضریب عملکرد سیکل تبرید 0/91 بدست میآید.
کلید واژه- انرژی زمین گرمایی، بازده حرارتی، تبرید جذبی، تحلیل ترمودینامیکی، سیکل کالینا، منابع انرژی دما پایین.
-1 مقدمه
افزایش مصرف سوختهای فسیلی به خاطر افزایش تقاضا برای انرژی و برق در جهان، منجر به اثرات زیستمحیطی و کاهش منابع انرژی گشته است. برای کاهش مسائل انرژی و حفاظت از محیط زیست، توجه زیادی در سالهای اخیر بر روی استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و حرارت اتلافی دما پایین به منظور تولید توان گشته است.
در بین انرژیهای تجدیدپذیر، انرژی زمین گرمایی، از دسترسترین آنها است. انرژی زمین گرمایی به شرایط جوی وابسته نیست و تکنولوژیهای تبدیل انرژی موجود، اجازه تولید برق از سیال زمین گرمایی با دمای پایین را میدهند .[1]
در طی بیست سال گذشته، سیکلهای ترمودینامیکی مختلفی معرفی و مورد ارزیابی قرار گرفتهاند، برخی از این سیکلهای جدید، برای کار کردن با منابع حرارتی دمای پایین تا متوسط، طراحی شده بودند و بررسیهای نظری، قابلیتهای آنها را نشان میداد .[2] یکی از مشخصههای اصلی آنها، استفاده از مخلوط دو جزئی به عنوان سیال عامل بود، که موجب میشد، بازده حرارتی افزایش یابد .[3]مخلوط دو جزئی، در طی فرآیند جوشش، دمای جوش متغیری را از خود به نمایش میگذارد. که این ویژگی، به تغییر دماهای کوچک، اجازه یک تطابق حرارتی خوب، بین منابع حرارتی دما متغیر و سیال عامل را میدهد و متعاقباً، تلفات بازگشت ناپذیری را در فرآیند حرارتدهی کاهش میدهد .[4]
آب-آمونیاک، یک مخلوط دو جزئی مرسوم است، که نه تنها دارای خواص ترمودینامیکی عالی است، بلکه یک ماده دوستدار طبیعت نیز میباشد، به خاطر اینکه بر روی لایه اوزون اثرات تخریبی ندارد. با این حال، مخلوط آب-آمونیاک نمیتواند به طور مستقیم برای تولید توان مورد استفاده قرار بگیرد، به خاطر اینکه، فرآیند کندانس شدن در یک دمای متغیر رخ میدهد، که منجر میشود فشار معکوس در توربین، بیشتر از سیکل بخار رانکین مرسوم شود .[5] زیاد بودن فشار معکوس توربین، از ورود هوا به داخل سیستم جلوگیری میکند، اما از نقطه نظر تولید توان و بازده سیکل، مطلوب نیست 7]،.[6
مالونی و روبرسون [8]، از مخلوط آب-آمونیاک به عنوان سیال عامل برای یک سیکل توان جذبی در اوایل دهه 1950 استفاده کردند . اخیراً، کالینا [ 9]، یک سیکل توان جذبی را که از آب-آمونیاک به عنوان سیال استفاده میکرد، معرفی کرده است. مانولی و روبرسون، نتیجه گرفتند که سیکل توان جذبی، هیچ مزیتی نسبت به سیکل رانکین ندارد، اما کالینا [10] نشان داد که سیکلش دارای بازده حرارتی به میزان 30%-60% بیشتر از سیکلهای توان بخار مشابه است. با تعویض فرآیند کندانسینگ، با فرآیند جذبی، کالینا [11] در سال 1984 توانست مشکل فشار معکوس زیاد توربین را در سیکلهای ترکیبی حل کند. کالینا و لیبوتز [12]، مزایای سیکلی را که به عنوان سیکل کالینا شناخته میشد، تشریح کردند.
همچنین آنها یک سیکل تولید توان را برای کاربردهای زمین گرمایی ارائه کردند و نشان دادند که سیکل کالینا دارای توان خروجی بالاتری برای یک منبع زمین گرمایی مشخص، در مقایسه با سیکلهای رانکینی بود که از ایزوبوتان استفاده میکردند. آل سعید و ترایباس [13]، سیکلهای رانکین و کالینا را زمانی که هر دو به عنوان سیکل زیرکش و با شرایط مرزی حرارتی یکسان مورد استفاده قرار گرفته بودند، از لحاظ نظری،مورد مقایسه قرار دادند. آنها قوانین اول و دوم ترمودینامیک را در مورد آنها مورد بررسی قرار دادند و دریافتند که، سیکل کالینا داری 10%-30% بازده حرارتی بیشتر نسبت به سیکل رانکین مشابه است.
استکو و دزایدری [14]، به طور تحلیلی نشان دادندکه مزیتهای نظری و عملی سیکل کالینا، در مقایسه با سیکل رانکینی که از خروجی توربین گازی به عنوان منبع انرژی استفاده میکرد، بیشتر است. مارسون [15]، مدل رایانهای سیکل تحلیل شده توسط آلسعید و ترایباس را گسترش داد و نتایج به دست آمده توسط این مدل در تطابق خوبی با نتایج منتشر شده توسط آلسعید و ترایباس بودند.
نمونه اولیه سیکل کالینا در سال 1991ساخته شد. اخیراً ،سیکل کالینا، در نیروگاه زمین گرمایی هوساویک ایسلند [16] مورد استفاده قرار گرفته است و نتایج، بازده خوبی را برای آن نشان میدهند. همچنین، سیکل کالینا برای کاربردهای متعددی مورد توجه قرار گرفته است. چندین پیکربندی برای سیکل کالینا وجود دارد و انتخاب یکی از آنها، به مشخصههای منبع حرارتی بستگی دارد 18]،:[17
•سیستم سیکل کالینا KSC5 - 5 - ،اصولاً بر روی کاربردهای آتش مستقیم تمرکز دارد.
•سیستم سیکل کالینا - KSC6 - 6، نامزد استفاده درسیکل زیرکش در سیکل ترکیبی است.
• سیستم سیکل کالینا - KSC11 - 11، به طور ویژه در سیکل تولید توان زمین گرمایی دما پایین مفید است.
•سیستم سیکل کالینا - KSC34 - 34، در نیروگاههای زمین گرمایی دما پایین مورد استفاده قرار میگیرد.
در سال 2007، هیتارچی [19]، بازده سیستم سیکل کالینا - KSC11 - 11 را با منابع انرژی زمین گرمایی دما پایین مورد آزمون قرار داد و آن را با سیکل رانکین ارگانیگ مقایسه کرد.نتایج نشان دادند که، برای فشار ورودی توربین معین، بهترین کسر جرمی آمونیاکی را میتوان یافت، که در آن بازده حرارتی سیکل حداکثر شود. به طور کلی، KSC11 دارای بازده حرارتی کلی بهتری در فشارهای معمولی نسبت به سیکل رانکین ارگانیک است.در سال 2009، لولوس [20]، یک سیکل کالینا را که بااستفاده از منابع حرارتی دما پایین برای تولید برق استفاده میکرد، مورد ارزیابی قرار داد. منبع حرارتی اصلی سیکل،کلکتورهای خورشیدی صفحه مسطح بودند.
به علاوه، منبعحرارتی خارجی نیز به سیکل متصل شده بود، که 5%-10% انرژی حرارتی کلی را تامین میکرد. ارسلان [21] تولید برق از میدان زمین گرمایی سیماو رامورد بررسی قرار داد و شرایط عملیاتی بهینه را بر اساس مفاهیم اگزرژی و اقتصادی برای نیروگاه KSC-34 تعیین کرد. در بهترین حالت طراحی، تولید توان 41/2 MW، تولید برق 346/1 GWh/در بازده انرژی 14/9% و بازده اگزرژی 36/2% قابل دست یافتن بود.اوگریسک [22]، یک سیکل کالینا را در نیروگاه ترکیبی تولید توان و حرارت به منظور بهبود بازده با استفاده از سیستم سیکل کالینا 34 با منابع زمین گرمایی دما پایین تجمیع کرد.
این فرآیند، برق تولیدی را با بازیافت حرارت افزایش داد و نیاز به سوخت مازاد را با تجمیع در نیروگاههای موجود، مرتفع ساخت.بازده خالص نیروگاه کالینای مجتمع بین 12/3%-17/1% نشان
داده شد، که به دمای آب خنک کاری و محتوای آمونیاک درمحلول اصلی وابسته بود. توان الکتریکی ناخالص بین 320-440KW بود، زمانی که نرخ حرارت ورودی 2/3 MW باشد وبازده ناخالص بین 13/5%-18/8% بود. این مطالعه همچنین نشان داد که، نمیتوان بیش از نیمی از انرژی حرارتی هدر رفته درسیکل زیرکش را بازیابی نمود. این انرژی حرارتی، توسط اواپراتوربه محیط بازگشت داده میشود. دمای خروجی سیکل کالینا از اواپراتور، به شرایط طراحی و عملیاتی بستگی دارد و میتواند بین75-80℃تغییر بکند.
این محدوده دمایی و متعاقباً محدودهدمایی در کندانسور سیکل کالینا، میتواند برای انتقال حرارت باسیکل تبرید جذبی آب-آمونیاک مورد استفاده قرار بگیرد. که براساس اطلاعات ما، تا کنون مورد ارزیابی قرار نگرفته است.در این پژوهش، سیستم ترکیبی بر پایه چرخههای کالینا و تبرید جذبی پیشنهاد میشود، که به طور همزمان توان و سرماتولید میکند. در این سیستم، سرمایش، با استفاده از چرخهتبرید جذبی آب-آمونیاک انجام میشود. به طوریکه، یک چرخه کالینای مرسوم که حرارت مورد نیاز در اواپراتور خود را از طریق انرژی زمین گرمایی تامین میکند، به عنوان سیکل مبنا موردمطالعه قرار میگیرد. از آنجایی که، سیکل کالینا دارای حرارت اتلافی دما پایین در کندانسور است، در این تحقیق، برای استفاده بهینه از این منبع انرژی، یک سیکل تبرید جذبی به سیکلکالینای پایه افزوده شده است تا در کنار تولید توان، سرمایش نیز تولید شود. اهداف این تحقیق متنوع بوده و عبارتند از:
·ارائه یک آرایش جدید تولید همزمان بر مبنای سیکل کالینا
·مدلسازی جامع ترمودینامیکی سیستم پیشنهادی
-2 توضیح سیستم
سیکلهای کالینا و جذبی آب-آمونیاک به طور مختصر پیش از بررسی سیکل ترکیبی پیشنهادی، توصیف میشوند.
-1-2 سیکل کالینا
شکل 1، شماتیک سیکل ترکیبی پیشنهادی را نشان میدهد. سیال عامل سیکل، آب-آمونیاک است. در سیکل کالینا، حرارت در دمای پایین به طور غیر مستقیم به سیال در حال گردش انتقال داده میشود. آب داغ زمین گرمایی - حالت - 13 به اواپراتور سیکل کالینا - Evaprator 1 - وارد میشود و باعث میشود مخلوط آب- آمونیاک در حالت 1 تبخیر شود؛ محلول آب-آمونیاک - با کسر جرمی آمونیاک - 0/82 از اواپراتور خارج و به سپراتور - Separator - وارد میشود، که در آنجا، سیال عامل به بخار غنی از آمونیاک و محلول فقیر تفکیک میشود. بخار غنی آمونیاک، با کسر جرمی 0/96، از داخل توربین عبور میکند.
محلول فقیری که در اواپراتور تبخیر نشده است، سپراتور را به صورت مایع اشباع در نقطه 3 ترک میکند و سپس از رکوپراتور دما بالا - HT Recuperator - عبور میکند. بخار غنی آمونیاک پس از انبساط در توربین، به میکسر وارد میشود و در آنجا با سیال خارج شده از رکوپراتور دما بالا مخلوط میشود. محلول مخلوط شده، وارد رکوپراتور دما پایین - LTRecuperator - میشود و در آنجا، با جریان سرد خروجی از پمپ، انتقال حرارت میکند. جریان گرمی که رکوپراتور دما پایین را ترک میکند، از داخل کندانسور عبور میکند و در آنجا به مایع اشباع تبدیل میشود.
-2-2 سیکل تبرید جذبی آب-آمونیاک
همانطور که شکل 1 نشان میدهد، سیستم تبرید جذبی شامل جذبکننده - Absorber - ، پمپ، دزوربر - Desrober - ، شیر انبساط، رکتیفیر - Recifier - ، پیش سردکن - Precooler - ، کندانسور و اواپراور میباشد . در این سیستم، آمونیاک به عنوان مبرد و آب به عنوان سیال جاذب عمل میکنند. بخار آمونیاک کم فشار که از اواپراتور خارج میشود - حالت - 27، پس از عبور از پیش سردکن، وارد جذب کننده میشود و در آنجا توسط آب سرد، جذب میشود. از آنجایی که، آب توانایی جذب مقدار زیادی بخار آمونیاک را دارا میباشد، در این مرحله محلول به شکل محلول آب-آمونیاک در میآید.
جذب بخار آمونیاک در آب، فشار را در جذب کننده کاهش میدهد، که این کار باعث میشود بخار آمونیاک بیشتری را از اواپراتور به سمت خود بکشد. بنابراین، دمای محلول افزایش پیدا میکند. پمپ، فشار محلول را تا 15 Bar - حالت - 16 افزایش میدهد. سپس محلول با مبدل حرارتی انتقال حرارت انجام میدهد و دمای آن افزایش مییابد - حالت . - 17 محلول غنی آمونیاک در دزوربر توسط حرارت خارجی، گرم میشود. در طی فرآیند گرم شدن، بخار آمونیاک در یک فشار بالاتر از محلول جدا میشود و محلول فقیر در دزوبر باقی میماند.
محلول فقیر پس از آن دوباره وارد مبدل حرارتی میشود - حالت - 18 و دمای آن کاهش پیدا میکند و در مرحله بعد، وارد شیر فشارشکن میشود و فشار آن کاهش مییابد - حالت - 20 و سپس دوباره وارد جذب کننده میشود. در طرف دیگر، بخار آمونیاک خروجی از دزوربر وارد رکتیفیر میشود - حالت - 21، تا در آنجا ناخالصیهای بخار آباز، آن جدا شوند. بخار آمونیاک تقریباً خالص فشار بالا، سپس وارد کندانسور میشود - حالت - 23 و در آنجا تا رسیدن به حالت مایع اشباع فشار بالای آمونیاک، کندانس میشود. پس از آن وارد پیش سردکن میشود و سپس برای رسیدن به فشار 2/8 Bar از شیر انبساط عبور میکند.
-3-2 سیکل ترکیبی
از آنجایی که دمای جوش آمونیاک بسیار پایین بوده، بنابراین کندانسور سیکل کالینا، منبع حرارتی مناسبی جهت تبخیر محلول آب و آمونیاک میباشد. با علم به این موضوع، در این تحقیق یک سیکل تبرید جذبی با استفاده از حرارت اتلافی سیکل کالینا راه-اندازی شده است. دو سیکل از طریق یک مبدل حرارتی بههم مربوط شدهاند. این مبدل نقش کندانسور را برای سیکل کالینا -9 - - 8 و دزوربر را برای سیکل تبرید دارد.
-3 تحلیل ترمودینامیکی
مدلهای ترمودینامیکی برای سیکلهای کالینا و تبرید جذبی آب-آمونیاک گسترش داده شدهاند. در این مدلها، هر عضو سیستم به عنوان یک حجم کنترل در نظر گرفته شده و اصل بقای جرم و قوانین اول به هر عضو اعمال میشود. در تمام روند حل، حالت جریان پایا در نظر گرفته میشود. عملکرد سیکل با استفاده از حل معادلات مترادف همراه با روابط خواص ترمودینامیکی با استفاده از نرمافزار [23] EES شبیهسازی شدهاند.
