بخشی از مقاله
چکیده
سیستم CHP، یک سیستم تولید همزمان برق و حرارت است. در این سیستم، گرماي وارد شده به محیط، که ناشی از احتراق در یک سیستم تولید برق است، توسط یک مبدل بازیافت شده و جهت مصارف مختلفی مورد استفاده قرار میگیرد. این بازیافت حرارت موجب افزایش قابل ملاحظهاي در راندمان کل فرآیند احتراق میگردد. هزینه مبدل حدود %40 هزینه کل سیستم CHP است. از این رو طراحی بهینه مبدل نقش مهمی در کاهش هزینه کل سیستم دارد.
در این مقاله یک مبدل پوسته و لوله که بیشترین کاربرد را در سیستمهاي CHP دارد مورد بررسی قرار میگیرد. طراحی مبدل ابتدا با استفاده از روش Bell-Delaware انجام شده و سپس بهینهسازي آن با الگوریتم ژنتیک انجام میشود. در نظر گرفتن پنج متغیر مستقل در الگوریتم ژنتیک موجب میشود تا دامنه بسیار وسیعی از طراحیهاي ممکن توسط الگوریتم بررسی شده و طراحی بهینه انتخاب شود. نتایج بهینهسازي نشان میدهد که طراحی بهینه موجب کاهش %25 در هزینه ساخت مبدل و کاهش%10 در هزینه کل سیستم CHP میگردد.
-1 مقدمه
تبدیل سوخت هاي فسیلی اولیه مانند زغال سنگ و گاز به برق معمولا یک فرآیند با راندمان پایین است. حتی سیکل هاي ترکیبی مدرن امروزي داراي راندمانی بین %50-60 هستند. بیشترین تلفات انرژي مربوط به گرمایی است که وارد محیط می شود. بنابراین این تلفات گرمایی پتانسیل زیادي را براي بازیافت حرارت نشان میدهند. اساس کار یک سیستم CHP بازیافت همین گرماي تلف شده است که موجب افزایش قابل ملاحظهاي در راندمان کل فرآیند تبدیل میشود. یکی از اجزاء اصلی سیستم CHP مبدلی است که براي بازیافت حرارت مورد استفاده قرار میگیرد.
این مبدل می تواند از نوع پوسته و لوله، لوله-پره یا صفحهاي پرهدار باشد که براي حالتی که هدف تولید آب گرم است مورد استفاده قرار میگیرند. رایجترین نوع مبدلی که مورد استفاده قرار میگیرد، نوع پوسته و لوله است. هزینه این مبدل حدود %40 هزینه سیستم CHP را شامل میشود .[1] از این رو طراحی مناسب مبدل نقش بسزایی در کاهش هزینه کل سیستم خواهد داشت.
در این مقاله روش طراحی یک مبدل پوسته و لوله مورد بررسی قرار گرفته و بهینهسازي آن توسط الگوریتم ژنتیک طراحی و بهینهسازي مبدل پوسته و لوله مورد استفاده در سیستم CHP با الگوریتم ژنتیک انجام میشود. نتایج بهینهسازي نشان میدهد که طراحی بهینه مبدل موجب کاهش قابل ملاحظهاي در اندازه، مواد و هزینههاي ساخت خواهد شد.
-2 طرح شماتیک یک سیستم CHP و پارامترهاي موثر بر طراحی مبدل
طرح شماتیک یک سیستم CHP در شکل - 1 - نشان داده شده است. در این سیستم آب مصرفی جهت گرمایش ابتدا با آب رادیاتور موتور تبادل گرما کرده و پس از پیش گرم شدن وارد یک مبدل پوسته و لوله میشود. از سمت دیگر مبدل گازهاي داغ خروجی از موتور جریان مییابد. به دلیل محدودیتهایی که در استفاده از مواد مختلف وجود دارد، از سمت داخل لوله ها، گازهاي خروجی از موتور جریان می یابد و در سمت پوسته آب جریان دارد. بسته به دبی و دماي گازهاي خروجی از موتور، مقدار افزایش دماي آب مورد نظر و حداکثر افت فشاري که در سمت پوسته و لوله بایستی وجود داشته باشد، طراحی مبدل میتواند متفاوت باشد.
طراحی مبدل با تغییر ابعاد مبدل، طول لولهها، گام لولهها، قطر و جنس لولهها، درصد برش دیواركها، فاصله دیواركها و تعداد دیواركها تغییر میکند. با در نظر گرفتن این تعداد متغیر ملاحظه میشود که طرحهاي بسیاري را میتوان براي مبدل ارائه نمود که در عین حال که محدودیتهاي مورد نظر را از جهت ترموهیدرولیکی برآورده میسازد با یکدیگر نیز متفاوت هستند. طراحیهاي مختلف مبدل منجر به هزینههاي ساخت مختلف نیز خواهد شد. این هزینه تابعی از سطح انتقال گرما است. از این جهت طراحی بهینه مبدل که منجر به کمترین سطح انتقال گرما و در نتیجه کمترین هزینه تولید شود، ضروري است.
-3 روش طراحی مبدل
در طراحی مبدل از یک پاس پوسته و یک پاس لوله استفاده شده است. دلیل این امر ایجاد افت فشار بسیار زیاد در استفاده از تعداد پاسهاي بیشتر است که در سیستم CHP این افت فشارها بسیار کم هستند. یک مبدل پوسته و لوله در شکل - 2 - نشان داده شده است. با توجه به اینکه در این جا موضوع تعیین مقادیر نامی مطرح است، براي طراحی مبدل از روش LMTD استفاده میشود.
تعیین اختلاف دماي لگاریتمی، تعیین مقدار گرماي بازیافتی، تعیین مقادیر ضریب جابجایی سمت پوسته و سمت لوله و ضریب انتقال حرارت کلی، مواردي هستند که در این روش مورد بررسی قرار خواهند گرفت. مهمترین مرحله طراحی مبدل یافتن مقادیر ضرایب جابجایی است. براي سمت لوله روابط بسیار زیادي در مراجع مختلف ارائه شده است. اما تحلیل سمت پوسته به سادگی تحلیل سمت لوله نیست. این به این دلیل است که جریان سمت پوسته پیچیده بوده و به صورت ترکیبی از جریانهاي متقاطع، جریان در پنجره دیواركها، جریانهاي کنار گذر دیوارك-پوسته و دسته لوله-پوسته میباشد. شکل - 3 - این الگوي پیچیده جریان را نشان میدهد.
-4 طراحی مبدل
در یک سیستم CHP مورد مطالعه از یک موتور گاز سوز که دبی گازهاي خروجی آن 690m3/h و دماي آن 491œC است استفاده شده است. دبی آب مصرفی براي گرم کردن 2800Lit/h است که بایستی دماي آن از 80œC به 95œC برسد. مطابق محاسبات، گرمایی که توسط مبدل در این شرایط بازیافت میشود 47.417kW است.
براي طراحی مبدلی که بتواند این میزان گرما را بازیافت کند از تعداد 30 عدد لوله فولادي، یک پاس لوله، لولههاي 3/4 اینچ با گرید 17، فاصله دیواركها 15cm، گام لولهها 24mm و درصد برش دیواركهاي 20% استفاده شده است. تعداد دو زوج سیل1 هم براي کاهش جریانهاي کنار گذر در نظر گرفته شده است. ابتدا براي این شرایط سطح انتقال گرماي مورد نیاز و از آن جا طول لولهها تعیین میشود. در بخش هاي بعدي بهینهسازي مبدل با الگوریتم ژنتیک انجام میشود.
براي تعیین ابعاد مبدل، ابتدا ضریب جابجایی سمت پوسته تعیین میشود. براي این منظور از روش Bell-Delaware استفاده میشود.
