بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازی و بررسی پارامتری چرخه تجمیعی متمرکز کنندههای سهموی خورشیدی و چرخه آلی رانکین برای تولید توان الکتریکی
چکیده : خورشید به عنوان یکی ار منبعهای پایان ناپذیر انرژی است که امکان تولید برقی و گرما از آن به راحتی وجود دارد. چرخه آلی رانکین همانند چرخه شناخته شده بخار رانکین است با این تفاوت که در آن ار یک سال آلی به جای بخار استفاده میشود. این مطالعه به بررسی انتخاب سال عامل مناسب برای چرخه آلی رانکین ، راهکاری برای بهبود عملکرد و افزایش راندمان، شناسایی پارامترها و متغیرهای تاثیرگذار بر راندمان چرخه آلی رانکین، بهرهگیری ار مبادل گرمایی مناسب در چرخه تجمیعی کلکتورهای سهموی خورشیدی و چرخه آلی رانکین پرداخته است. توان خروجی سامانه ۲۱۴۰ کیلو وات و منبع گرمایی سامانه، انرژی استحصال شده توسط کلکتورهای سهموی خورشیدی است. چرخه در دمای ۲۵۰ درجه سلسیوس که متوسط دمای کلکتورهای سهموی لوله ای است، مورد بررسی و ار زبایی قرار گرفته است. در این مطالعه تهران به عنوان شهر مورد نظر برای محاسبه های تابش خورشید و تغییرهای فصلی، انتخاب شده است. بررسی سال های کاری متفاوت به منظور یافتن بیشترین راندمان خالص در چرخه تجمیعی متمرکز کننده های سهموی خورشیدی و چرخه آلی رانکین صورت پذیرفت و نشان داده شد. که سیال های به ترتیب دارای راندمان خالص و چرخه و درصد میباشند واز آن میان، سیال R-14IB بیشترین راندمان خالص وسیال R-245Caبیشترین توان الکتریکی را دارا می باشد. تاثیر تغییرهای دمای محیط برای تابستان ور زمستان، ارتفاع محل نصب و ... مورد بررسی قرار گرفت.
مقدمه
یکی از منابع پایان ناپذیر، خورشید است که امکان تولید برق و گرما از آن به راحتی میسر می باشد. گرمای انرژی خورشیدی به وسیله کلکتورهایی جذب شده و به وسیله مبدل گرمایی به چرخه ترمودینامیکی که توانایی تولید الکتریسیته را دارد، انتقال مییابد. فناوری که این انرژی بی پایان را برای تولید توان الکتریکی مهیا میسازد؛ چرخهای ترمودینامیکی به نام چرخه آلی رانکین است. از زمانی که اولین نیروگاه گرمایی بر پایه چرخه رانکین ساخته شد تا به حال چندین اصلاح در پیکربندی و تغییر جنس مواد به کار رفته در تجهیزات به وجود آمده است، اما همواره سیال کاری آب انتخاب شده است. با وجود آن که آب ویژگی هایی دارد که آن را انتخابی بسیار خوب به عنوان سیال کاری کرده، انتخابهای بهتری نیز برای کاربردهای دما پایین نیز در دسترس است. ماده سیال آلی"، انتخاب رایجی برای برخی از کاربردها است. چرخه آلی رانکین" (ORC) نامی است برای اینکه در آن از سیال آلی، استفاده شده است. سیال آلی با جرم مولکولی بالا" و با تغییر فاز مایع - بخار که در دمای پایین تر از تغییر فاز آب - بخار اتفاق میافتد. ماده سیال کاری آلی باعث می شود که چرخه رانکین گرمای خود را از منابع دما پایین مانند گرمای خورشیدی، سوختن زیستتوده، گرمای تلفشده صنعتی، گرمای زمین گرمایی و غیره کسب نماید. گرمای دما پایین به کار مفید تبدیل شده که می تواند به الکتریسیته تبدیل شود.
Chen و همکاران (۲۰۱۱ میلادی) || ۱ || پژوهشی مقایسه ای بین چرخه آلی رانکین و چرخه رانکین فوق بحرانی با استفاده از ترکیبهای زئوتروپیک به عنوان سیالات کاری ارائه دادهاند. پژوهشی آنها نشان داد که چرخه فوق بحرانی می تواند به راندمان گرمایی ۱۰/۸ تا 13.4 درصد با دمای بالای منبع گرمایی ۱۲۰ تا ۲۰۰ سلسیوس دست یابد، در مقایسه با راندمان چرخه آلی رانکین 9.7 تا ۱۰/۱ درصد بوده است. آنها مدعی پیشرفت قابل توجه ۱۰ درصدی در راندمان چرخه آلی رانکین شدند || ۱ |.
Harada || ۲ || بر اهمیت رفتار سیال عامل رتروگراد اشاره کرده است. وی از سیال عامل آلی برای برنامه های کاربردی در ظرفیتهای پایین، مانند R-134A (منظم) و R-245fa (رتروگراد) استفاده کرده است.
Nowak , Borsukiewicz Gozdur سیالات کاری پروپیلن،پروپان ، R-236fa R-227ea و RC318 را مورد مطالعه قرار دادند.
Schuster و همکاران سیکلوهگزان R-141b . R-245fa، R-365mfc را مورد مطالعه قراردادند.
R-11, R-113,R-114 Lariola تولوئن و فلورین ها" (CF3CHOH) را مورد مطالعه قرارداد. Saleh و همکاران 21 [6]مبرد آلی و ۱۰ سیال آلی دیگر، که در میان آنها N - هگزان بالاترین دمای بحرانی (C"234.67) و 41-R کمترین دمای بحرانی را (C"44.25) داشتند، مورد مطالعه قراردادند. Ma8O و همکاران || ۷ || بر روی راندمان گرمایی چرخه آلی رانکین با سیالات کاری 113-R-245ca .R-245fa .R-123 .R. R-134a و ایزوبوتان مطالعه کردند. این مطالعه اثبات کرد که سیالی 13 1-R بیشترین راندمان گرمایی را در بین سیالات مورد مطالعه در چرخه آلی رانکین به خود اختصاص داده است. Dai و همکارانی [۸]، بر روی بهینه سازی چرخه آلی رانکین با استفاده از راندمان اکسرژی را مطالعه کردند. نتیجه های آنها نشان داد که چرخه ترکیبی با فشار و دمای ورودی توربین Bar ۷٫۹ و ۱۱۸٫۹°C و فشار بازگشتی توربین Bar ۱،۵؛ با بیشینه راندمان اکسرژی ۲۷/۱ درصد فعالیت می کرد. نتیجه های تحلیل اکسرژی آنها نشان داد که مقدار زیادی اکسرژی در بویلر و اجکتور از دست رفته است. Yamamoto و همکاران || ۹ || برای تحلیل ترمودینامیکی و مشخص کردن و بهینه سازی شرایط عملیاتی چرخه آلی رانکین از نرمافزار شبیه ساز HYSYS استفاده کردند. این شبیه ساز برای تحلیل ترمودینامیکی در شرایط حالت پایدار بسیار مفید است. در پژوهشی حاضر، بررسی برای انتخاب سیال عامل برای چرخه آلی رانکین ، راهکار بهبود عملکرد و افزایش راندمان، شناسایی پارامترها و متغیرهای تأثیرگذار بر راندمان چرخه آلی رانکین، بهرهگیری از مبدل مناسب چرخه تجمیعی کلکتورهای سهموی خورشیدی و چرخه آلی رانکین مورد توجه قرار گرفته است. بیست و پنج سیال آلی مورد بررسی قرار گرفته که عبارتند از:R-113,R-114, R-1234 ze,R-124, بوتان، بوتن، ایزوبوتان، ایزوبوتن
که انتخاب سیالات عامل با نرم افزاری به نام
رفپراپ (" ویرایش نهم صورت پذیرفته است. این نرم افزار برای به دست اوردن خواص سیالات و مبردها، که توسط شرکت NIST" ساخته شده مناسب است. ابراز به کار رفته دیگر برای رسیدن به هدفهای پژوهشی و شبیهسازی چرخه تجمیعی کلکتورهای سهموی خورشیدی و چرخه آلی رانکین، نرمافزار ترموفلو" ۲۲ می باشد. نرمافزار ترمو فلو ۲۲ افزون بر قابلیت انجام محاسبات در نقطه طراحی، می تواند به منظور شبیهسازی شرایط عملیاتی گوناگون مانند شرایط محیطی متفاوت یا بارگیری جزئی" مورد استفاده قرار گیرد. چرخه تجمیعی متمرکز کننده های سهموی خورشیدی و چرخه آلی رانکین در نسخه ترموفلکسی" طراحی شده است؛ که در شکل ۲ این چرخه دیده می شود. توان خروجی سامانه ۲۱۴۰ کیلو وات و منبع گرمایی سامانه انرژی استحصال شده توسط کلکتورهای سهموی خورشیدی است. چرخه در دمای ۲۵۰ درجه سلسیوس مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفته که متوسط دمای کلکتورهای سهموی لولهای میباشد. فشار ورودی به توربین با توجه به بیشینه سازی راندمان چرخه و خواص سیال انتخاب شده بهینه شده است. در این مطالعه شهر مورد نظر برای محاسبات تابش خورشید و تغییرات فصل، تهران فرض شده است. بررسی سیالات کاری متفاوت به منظور یافتن بیشترین راندمان خالص در چرخه تجمیعی متمرکز کنندههای سهموی خورشیدی و چرخه آلی رانکین صورت پذیرفت. راندمان خالصی چرخه سیالات و R-245ca مورد ارزیابی و محاسبه قرار گرفت و از آن میان سیالی که دارای بیشترین راندمان خالصی و توان الکتریکی بود تعیین شد. تغییرات دمای محیط برای تابستان و زمستان، بررسی ارتفاع محل نصب و ... مورد بررسی قرار گرفته است.
انواع کلکتورهای خورشیدی کلکتور، نوع ویژه ای از مبادله کننده انرژی خورشیدی است که انرژی تابشی خورشیدی را به انرژی درونی یک وسیله انتقال دهنده منتقل می کند. کلکتور تابش خورشیدی را جذب کرده و آن را به گرما تبدیل کرده و گرما را به سیالی که از میان کلکتور جریان دارد منتقل می کند؛ انرژی جمع آوری شده از سیال کاری (گرفته شده از خورشید) دارای اکسرژی دمایی می باشد، که با انتقال این گرما توسط یک مبدل صفحه ای، این قابلیت کاردهی را با استفاده از چرخه آلی رانکین به توان الکتریکی تبدیل می کند. سطح کلکتور سهموی به صورت سهمی ساخته شده و باعث تمرکز تابش خورشید و باعث مناسبب شدن این نوع کلکتور برای کاربردهای دما بالا خواهد شد که برای تولید الکتریسیته در یک نیروگاه به کار میرود.
انواع سیال های کاری مقایسه عملکرد اب و سیال های الی در کاربردهای دما پایین در ارزیابی چگونگی به کارگیری سیال های آلی سودمند است. آب به عنوان انتخابی از سیالی کاری برای طیف وسیعی از ماشین ها و سامانههای تولید توان الکتریکی، چرخه رانکین با سوخت فسیلی است. آب با کاربرد دما بالا در این سامانه ها بسیار مناسب است، اما آب برای بهره برداری در دمای پایین محدودیتهایی خودش را دارد. هر چند سیال های آلی در بهره برداری دما پایین بهتر عمل می نمایند. مهمترین تفاوت اصلی بین این دو سیال، نوع رفتار آنها در زمان انبساط است، که از فاز اشباع یا بیشی گرم در زمان عبور از توربین است. این رفتار بهترین مشاهده برای آزمایشی انبساط توربین در این دامنه دمایی می باشد. از آنجایی که اب یک سیال تر است، اگر آب در فاز بیش گرم نباشد، انبساط آیزنتروپیک" آب منجر به کیفیت پایین (کمتر از ۸۰ درصد)، دو فازی می شود. جریان با کیفیت پایین درون توربین قابل قبول نیست، زیرا میتواند سبب بروز صدمه بارزی به پره های توربین و خسارت به تجهیزات شود. از سیال های آلی رفتار بسیار متفاوتی در مقایسه با آب دیده شد. از آنجایی که بیشتر سیال های آلی خشک یا آیزنتروپیک می باشند، انبساط آیزنتروپیک در حالت بخار اشباع یا بخار بیشی گرم انجام میشود که ترکیب دو فازی کمتری در مقایسه با سیال آب دارند. سیال های خشک یا آیزنتروپیک، عملکرد را توربین در هنگامی که کیفیت جریان ورودی به توربین پایین است از بین برده و پیچیدگی های موجود، در مورد طراحی چرخه را نیز منتفی می نمایند. یک سامانه با انعطاف پذیری بالا عملکرد بهتری دارد، که از دیگر برتری های استفاده از سیال الی است. بر طبق مطالعات Lee و همکاران |||||||||||۱۰|| سیال های از نوع خشک (سیال های دارای شیب مثبت) مشکل های فشردهسازی
در فرایند انبساط توربین را ندارند. این امر تنها زمانی امکان پذیر است که بخار ورودی توربین، اشباع باشد. این ویژگی، به طور معمول در سیال های خشک یا از نتروپیک دیده می شود. بنابراین، این نوع از سیال ها به جای سیال های نوع تر پیشنهاد می شوند. آنها همچنین بر این نکته اشاره نمودند، که وزن مولکولی سیال، نقطههای جوش طبیعی و فشارهای بحرانی می توانند به عنوان ویژگیهای کلیدی انتخاب، سیال های کاری باشند. سیال های با وزن مولکولی کمتر از ۹۰ گرم بر مول و نقطه جوش نرمال بین ۵۷۰ تا ۶۰۰ درجه سلسیوس و فشار بحرانی بالاتر از ۳۵ بار به صورت بالقوه برای مهیا کردن توانایی فیزیکی - گرمایی خوب برای سامانه بازیافت انرژی چرخه آلی رانکین مناسب هستند. اثر سیال های کاری گوناگون بر راندمان دمایی و کارایی بازیافت گرمای کلی، توسط Liu و همکاران |||||||||۱۰|| مورد مطالعه قرار گرفت. از آنجایی که هدف چرخه آلی رانکین، بازیافت دمای درجه کم و تبدیل آن به گشتاور است، این عمل گرمایی شدن سیال تر، به گفته انان دلخواه و مناسب نیست. بنابراین سیال های تر برای سامانه های چرخه آلی رانکین مناسب نمیباشند. با استفاده از قانون اول و دوم ترمودینامیک، کارایی چرخه آلی رانکین میتواند در شرایط کاری گوناگون برای یک سیال کاری اختصاصی به دست بیاید. زمانی که سیال کاری، بخار اشباع است، راندمان دمایی سامانه به طور معمول با توجه به افزایش فشار ورودی توربین، افزایش مییابد. این عامل سبب بازگشت ناپذیری کمتر می شود؛ زمانی که دمای منبع ثابت است. برای سامانههایی با سیالی کاری بخار اشباع، با افزایش فشار ورودی توربین، راندمان گرمایی افزایش مییابد. زمانی که اختلاف دمای درون یک بویلر ثابت است، فشار ورودی توربین بالاتر سبب بازگشت ناپذیری بالاتر می شود. ویژگیهای ترمودینامیکی
سیالی، محدودیتهای ترمودینامیکی را ایجاد می نماید که چه مقدار انرژی می تواند از منبع گرمایی استخراج شود. همچنین مقدار این انرژی به دمای جریان اتلافی و دمای محیط چگالنده نیز بستگی دارد. بنابراین، سیال کاری می تواند بر اساسی شیب خط بخار اشباع T-S به سه دسته طبقه بندی شود:
* سیالات مرطوب (۱)
* سیالات خشک
* سیالات ایزنتروپیکا"
در واقع شیب خط بخار اشباع نمودار T-S را نشان میدهد. در نتیجه:
نشان میدهد که سیال خشک است. مانند: ,
نشان میدهد که سیال تر است. مانند: آب، آمونیاک،
نشان می دهد که سیالی ایزنتروپیک است. مانند:
در شکل ۱ سه نمونه نمودار T-S از این سیالیها را نشان میدهد که این منحنی ها، پایه شکل گیری چرخه آلی رانکین است. سیال های کاری نوع خشک و آیزنتروپیک برای سامانههای چرخه آلی رانکین متداول تر و دلخواه تر هستند. از انجایی که هر دوی ان ها بعد از انبساط آیزنتروپیک گرما داده میشوند. بدین ترتیب مسائل و مشکل های برخورد قطرات مایع با تیغه های توربین حذف می شود.
نقاط بحرانی در سیالات کاری
نقطه بحرانی، نقطه اوج خط اشباع در نمودار T-S می باشد وناحیه دمای عملیاتی مناسب برای سیالات کاری را در فاز بخار - مایع مشخص می کند.
نقطه های بحرانی سیالات از جمله اطلاعات تأثیرگذار در انتخاب سیال کاری چرخه آلی رانکین است. در جدول ۱ سیال های کاری را بر اساسی شیب خط بخار اشباع و نقاط بحرانی طبقه بندی میکند.
شبیه سازی چرخه تجمیعی متمرکز کنندههای سهموی خورشیدی و چرخه آلی رانکین
سامانه مورد بررسی با استفاده از ویرایش ۲۲ نرم افزار ترموفلو شبیه سازی شده است. شکل y مدل چرخه تجمیعی متمرکز کنندههای سهموی خورشیدی و چرخه آلی رانکین که در نرم افزار ترموفلکس شبیه سازی شده و مراحل ۱ تا ۱۴ با توجه 123-R و فشار کاری سیالی ۲۰ بار می باشد. اجزای این سامانه از توربین، چگالنده هوا خنک "ا، مبدل گرمایی، پمپ، لوله، کلکتور سهموی لولهای خورشیدی، هوای از تابش خورشید می باشد. شکل ۳ طرح واره کلکتور سهموی
