بخشی از مقاله
چکیده
در چند دهه اخیر تولید غیرمتمرکز برق - DG - و تولید همزمان حرارت و قدرت - CHP - به واسطه کاهش تلفات و هزینه هاي انتقال و توزیع و افزایش راندمان و قابلیت اطمینان شبکه مورد توجه ویژهاي قرار گرفته است. به دلیل مزایاي بالاي اقتصادي و زیست محیطی سیستمهاي تولید همزمان، استفاده از آنها علاوه بر صنعت در ساختمانهاي تجاري و مسکونی جهت تامین نیازهاي حرارتی و الکتریکی با استقبال کشورهاي پیشرفته روبرو شده است. در میان انواع سیستمهاي تولید قدرت، میکروتوربین را به دلیل سایز فشرده و وزن کم، آلایندگی پایین، پایین بودن هزینه تعمیرات و نگهداري، قابلیت استفاده از سوختهاي مختلف و ...به عنوان محرك اولیه در سیستم تولید همزمان انتخاب کرده ایم و با توجه به نقش عمده مبدل بازیاب حرارتی در افزایش راندمان کلی چنین سیستمی، طراحی بهینه مبدل بازیاب را مورد بررسی قرار میدهیم.
پارامترهاي هدف در طراحی مبدل جهت بهینه سازي، قیمت تمام شده، راندمان، افت فشار، حجم و وزن و قابلیت کارکرد آن میباشد. در این مقاله به بهینه سازي مبدل هاي حرارتی پوسته لوله اي با استفاده از مدلسازي روابط حاکم در طراحی مبدلهاي حرارتی، در نرم افزار EES پرداخته شده تا با مینیمم سازي همزمان سطح انتقال حرارت وافت فشار، امکان بهره گیري از یک مبدل حرارتی پوسته لوله بهینه را بمنظور استفاده در سیستم بازیاب حرارت در یک میکروتوربین فراهم آوریم. نتایج بدست آمده براي یک میکروتوربین 100 کیلوواتی با نتایج نرم افزار طراحی مبدل Aspen B-JAC مقایسه گردیده و انطباق پذیري نتایج مورد بررسی قرار گرفته است.
واژه هاي کلیدي: مبدل بازیاب حرارت پوسته لوله اي،میکروتوربین،سیستم همزمان تولید حرارت و قدرت.
-1 مقدمه
امروزه بحث انرژي یکی از مهمترین مباحث مطرح شده در بخش مهندسی است. با توجه به قیمت بالاي انرژي و روند رو به کاهش منابع سوختهاي فسیلی، توجه همگان به استفاده بهینه از انرژي و کنترل مصرف آن از طریق استفاده از سیستمهاي با راندمان بالاتر و یا فناوریهاي جدیدتر معطوف شده است. با توجه به مسایلی همچون تلفات و هزینه هاي خطوط انتقال و توزیع برق، عدم دسترسی محلی به شبکه برق سراسري، نیاز به مولدهاي کمکی در ساعات اوج مصرف و راحتی و آسایش بیشتر مصرف کنندگان، نیاز به نسل جدیدي از مولدهاي تولید انرژي احساس شد. این مولدها که در واقع نیروگاههاي حرارتی در مقیاس بسیار کوچک می باشند، به نام مولدهاي تولید پراکنده4 برق شناخته می شوند.[1] به کارگیري سیستم پراکنده به صورت تولید همزمان5 علاوه بر کاهش هزینهها موجب بهرهوري سیستم می شود.
در فناوریهاي تولید همزمان حرارت و قدرت حرارت اضافی حاصل از تولید برق، جهت استفاده مجدد از آن،بازیافت می شود.با بازیافت حرارت در مبدلهاي حرارتی، بازدهی کل سیستم به مقدار قابل ملاحظهاي افزایش مییابد و در عین حال که برق تولید می شود، حرارت مورد نیاز مراکز تجاري،اداري و مسکونی نیز تامین می شود.[2]یکی از محرکهاي اولیه تولید برق در سیستمهاي تولید همزمان برق و حرارت ،میکروتوربینهاي گازي می باشند.سیکل ساده میکروتوربین شامل کمپرسور، محفظه احتراق و توربین است. به دلیل راندمان پایین این سیکل - 14-17% - از یک مبدل حرارتی فشرده - ریکوپراتور - جهت افزایش راندمان استفاده می شود.
گازهاي داغ خروجی از از میکروتوربین براي پیشگرم کردن هواي ورودي به محفظه احتراق وارد این مبدل حرارتی می شوند، این کار راندمان سیکل را در بعضی موارد تا دو برابر بیشتر میکند. با توجه به حرارت موجود در گازهاي داغ خروجی از ریکوپراتور، میتوان از یک مبدل حرارتی ثانویه جهت بازیابی انرژي گازها براي مصارف گرمایشی استفاده نمود که در این حالت میکروتوربین به صورت یک واحد تولید همزمان برق و حرارت درمیآید.[3] در شکل - - 1 دیاگرام یک سیستم تولید همزمان حرارت وقدرت بر پایه میکروتوربین بهمراه مبدل بازیاب حرارت نشان داده شده است.[4]
-2 طراحی مبدل بازیاب
جهت بازیابی حرارت گازهاي خروجی میکروتوربین به منظور مصارف گرمایشی ساختمانی با بار الکتریکی و حرارتی معلوم ابتدا امکان استفاده از دیگهاي چدنی موجود در موتورخانه ساختمان بررسی شد که نتایج تخمین عملکرد این دیگ ها، حاکی از آن است، در صورت استفاده از دیگ هاي موجود به عنوان مبدل بازیاب حرارتی در سیستم همزمان، تنها حدود %5 از بار حرارتی مورد نیاز تامین میشود و این به خاطر حذف اثر انتقال حرارت تشعشعی در دیگ میباشد. لذا نیاز به طراحی مبدلی جدید است که بتواند انرژي موجود در گازهاي داغ را با حداکثر راندمان، بازیابی و نیاز حرارتی ساختمان را تامین کند. در طراحی مبدل حرارتی علاوه بر برآورده شدن نیاز حرارتی، محدودیت افت فشار و ابعاد هندسی از پارامترهاي مهمی هستند که باید مورد توجه قرار گیرند.. [5]
پس از بررسی نتایج حاصل از محاسبات طراحی انواع مبدلهاي حرارتی گاز- مایع شامل مبدل حرارتی فشرده لوله پرهدار از نوع صفحهاي و شعاعی و مبدل حرارتی لوله پوستهاي و همچنین شرایط کارکرد سیکل میکروتوربین، مبدل حرارتی از نوع لوله پوسته اي به عنوان بهترین گزینه انتخاب گردید.پس از انتخاب نوع ساختمان مبدل و آرایش جریان لازم است خواص ترموفیزیکی آب و گاز در درجه حرارت متوسط مناسب آورده شوند.با توجه به اینکه در سمت گاز خروجی از میکروتوربین مخلوطی از گازهاي مختلف وجود دارد براي تعیین خواص ترموفیزیکی آن می بایست معادله احتراق با توجه به درصد مولی ترکیبات سازنده گاز طبیعی ایران نوشته شود و با توجه به خواص ترموفیزیکی هر یک از اجزاء سازنده و درصد مولی آنها خواص ترموفیزیکی گاز ورودي به مبدل محاسبه می گردد.
جهت طراحی مبدل بایستی روش سعی و خطا در پیش گرفته شود. ابتدا با یک طراحی مقدماتی ابعاد مبدل بدست می آید و سپس عملکرد آن مورد بررسی قرار می گیرد. چنانچه بار حرارتی مورد نیاز طراحی برآورده شود و افت فشارها در محدوده مجاز قرار بگیرند محاسبات متوقف می شود در غیر این صورت ابعاد مبدل در جهت بهبود حل مسأله تغییر داده می شود. به این منظور برنامهاي در محیط EES نوشته شده است. در این برنامه قابلیت ورود داده هاي مؤثر در طراحی مبدل به کاربر داده می شود و کاربر می تواند با توجه به شرایط کارکرد میکروتوربین مبدل مناسب را طراحی کند. سعی شده است معادلات مربوطه در برنامه به صورت دقیق آورده شود و از فرضهاي ساده کننده استفاده نشود.
1-2 فرضیات
1.گازهاي خروجی از میکروتوربین به صورت ترکیبی از گازهاي مختلف در نظر گرفته شده که براي این منظور معادله احتراق مورد تحلیل قرار گرفته است.
2.از فرض گاز ایدهآل براي گازهاي خروجی استفاده نشده است.
.3براي آب و گاز خواص ترموفیزیکی متغیر در نظر گرفته شدو و براي گاز از c p متغیر به جاي c p ثابت که خطاي نسبتا زیادي در محاسبات وارد میکند، استفاده شده است.
.4به منظور افزایش راندمان آرایش جریان در مبدل، بصورت مخالف در نظر گرفته شده است.
