چکیده

مطالعه ترمودینامیکی و بهینه سازی یک چرخه ترکیبی رانکین ارگانیک و تبرید اجکتوری که از منبع گرمایی دما پایین استفاده می کند، در این مقاله بررسی شده است. با فرض نسبت توان به تبرید ثابت، اثرات شرایط کاری مختلف شامل دمای منبع گرمایی، دمای تبخیر کننده، نسبت استخراج توربین و فشار ورودی توربین و پمپ بر عملکرد چرخه بررسی شده است. نتایج نشان دادند که فشار ورودی توربین را می توان برای بدست آوردن یک مقدار مینیمم هدایت گرمایی بهینه کرد. همچنین، بازده اگزرژی چرخه ترکیبی با افزایش دمای

۱ کارشناس ارشد تبدیل انرژی

۲ دانشیار گروه مکانیک

مطالعه چرخه ترکیبی توان …

تبخیر کننده و منبع گرمایی کاهش می یابد. بازده گرمایی چرخه نیز با افزایش دمای منبع گرمایی، کاهش فشار ورودی پمپ و کاهش نسبت استخراج توربین افزایش می یابد.

واژههای کلیدی: چرخه رانکین ارگانیک، چرخه تبرید اجکتوری، بهینه سازی، انرژی، اگزرژی.

۱ -مقدمه

اخیرا، تمایل زیادی برای بهره برداری از انرژی های تجدید پذیر مثل انرژی باد، زیست توده، انرژی خورشیدی، انرژی زمین گرمایی و گرمای اتلافی به جای سوخت های فسیلی ایجاد شده است. چون استفاده از آنها باعث کاهش مشکلاتی از قبیل باران های اسیدی، آلودگی اتمسفری، تخریب لایه اوزون و گرمایش زمین می شود. از طرف دیگر این انرژی ها ارزان و فراوان می باشند. بعضی محققان، عملکرد چرخه های استفاده کننده از انرژی های تجدید پذیر را بررسی کرده اند.[۳-۱] همزمان با پیشرفت سریع صنایع، یک مقدار عمده از گرمای اتلافی صنعتی به محیط تخلیه می شود که می توان آن را دوباره استفاده و به کار و الکتریسیته تبدیل کرد. در سال های اخیر چرخه های ترکیبی توان و تبرید اجکتوری جدیدی که از منابع گرمایی دما پایین استفاده می کنند، برای بدست آوردن بازده تبدیل انرژی بهتر مطرح شده اند.

الکسیس[۴] یک چرخه ترکیبی توان و تبرید اجکتوری معرفی کرد که در چرخه رانکین، جریان خروجی از توربین انرژی گرمایی خود را به سیال(آب) در چرخه تبرید اجکتوری انتقال می داد. چرخه ترکیبی رانکین و تبرید اجکتوری دیگری به وسیله دای و همکاران [۵] معرفی شد که در آن یک توربین بین دیگ بخار و اجکتور اضافه شده بود تا بخار خروجی از دیگ بخار بوسیله توربین منبسط شده و تولید توان کند و خروجی توربین هم برای راه اندازی اجکتور استفاده شود. وانگ و همکاران [۶] این چرخه را با سیال عامل و شرایط دیگری مطالعه کردند. بر اساس نتایج آن ها، بیشترین تخریب اگزرژی در مولد بخار رخ می دهد که با افزایش سطح انتقال حرارت و ضریب انتقال حرارت می توان مقدار آن را کاهش داد. ژنگ و ونگ [۷] یک چرخه ترکیبی رانکین ارگانیک و تبرید اجکتور را بررسی کردند. این چرخه پتانسیل بیشتری برای تولید تبرید داشت چون فاز سیال عامل در طی فرآیند تبرید تغییر می کرد. آن ها همچنین نشان دادند که افت اگزرژی چرخه عمدتا در اجکتور رخ می دهد.

سومین کنفرانس تخصصی ترمودینامیک

هدف مقاله فعلی، بررسی یک چرخه ترکیبی رانکین ارگانیک و تبرید اجکتوری که از گرمای اتلافی به عنوان منبع گرمایی دما پایین استفاده می کند، می باشد. تحلیل عملکردی به همراه بهینه سازی هدایت گرمایی بر اساس فشار ورودی توربین برای چرخه مطرح شده، انجام گرفته است.

۲ -عملکرد چرخه و فرضیات

طرح شماتیک چرخه ترکیبی رانکین ارگانیک و تبرید اجکتوری در شکل ۱ نشان داده شده است. چرخه از مولد بخار، توربین، اجکتور، چگالنده، پمپ، پیش گرمکن، شیر خفانش و تبخیر کننده به عنوان اجزای اصلی تشکیل شده است.

×

شکل .۱ طرح شماتیک چرخه ترکیب رانکین ارگانیک و تبرید اجکتوری و نمودار دما-آنتروپی

در این چرخه، سیال عامل مایع اشباع توسط پمپ فشرده شده و فشار آن افزایش می یابد و با عبور از پیش گرمکن دمای سیال نیز افزایش می یابد. در مولد بخار، مایع فشرده فشار بالا گرم شده و با جذب گرما از منبع حرارتی بخار می شود. سپس، بخار برای تولید کار مکانیکی وارد توربین می شود آن را در یک فشار و دمای پایینتر ترک می کند. این جریان که جریان اولیه نامیده می شود، وارد اجکتور می شود. جریان خروجی از

مطالعه چرخه ترکیبی توان …

اجکتور، با جریان دیگر خروجی توربین ترکیب می شود و این بخار فشار پایین بعد از کاهش دما در پیش گرمکن وارد چگالنده می شود و با دفع گرما به آب خنک کننده، آن را به صورت مایع اشباع ترک می کند. مایع چگالیده خروجی به دو جریان تقسیم می شود.یک جریان به پمپ باز می گردد و جریان دیگر، بعد از کاهش فشار در شیر خفانش وارد تبخیر کننده می شود. این جریان فشار و دما پایین که وارد تبخیر کننده می شود، با جذب گرما تبخیر شده و سپس به عنوان جریان ثانویه وارد اجکتور می شود.

برای ساده سازی چرخه ترکیبی، فرضیات زیر در نظر گرفته شد:

سیستم درحالت پایا قرار دارد.از انرژی های پتانسیل و جنبشی به همراه افت های اصطکاکی چشم پوشی شده است.مولد بخار، تبخیر کننده، توربین و اجکتور و چگالنده به صورت آدیاباتیک در نظر گرفته شده اند.شیر خفانش به صورت آنتالپی ثابت عمل می کند. سیال عامل در خروجی تبخیر کننده به صورت بخار اشباع می

باشد.حالت خروجی چگالنده مایع اشباع می باشد.پینچ مولد بخار باید برابر یا بزرگتر از ۲T (نصف اختلاف دما) باشد. نسبت توان به تبرید مقدار ثابتی در نظر گرفته شده است.

– ۳ تحلیل ترمودینامیکی

در ابتدا ذکر این نقطه ضروری است که در معادلات زیر، علائم eva، p، t،Rext ، ، vg، net، tot، UA به ترتیب نشان دهنده تبخیرکننده، پمپ، توربین، نسبت انبساط توربین، مولد بخار، خالص، کلی و هدایت گرمایی می باشند.

با محاسبه توان خالص ویژه خروجی چرخه، و با ثابت کردن توان خالص خروجی بی بعد، ، نرخ جرمی سیال عامل به صورت زیر تعریف می شود:

(۱)× (Wmax ) m 
w

که Wmax حداکثر توان تئوریکی است که بوسیله چرخه کارنویی که بین دماهای منبع گرمایی و تبخیرکننده کار می کند، تولید میشود.
(۲)
Qeva  m12 (h13 – h12 )
(3) Wpm1v1(P2-P1)

سومین کنفرانس تخصصی ترمودینامیک

Wt  m4 ( h4 – h5 )  ( m4 – m5 ) ( h5 – h6 ) (4)
(5)
m5 Rextr 
m
4
(6) P4

P
5
(7) Qvg  m3 (h4 – h3 )
(8) Wnet  Wt  Wp
(9) Q  UATm

UAtot  UAvg  UAeva  UAcon (10)

نرخ اتلاف اگزرژی در یک سیستم کنترل برای حالت پایا به صورت زیر تعریف می شود:[۸]

(۱۱)  T   
W  ۰ Q۱ 

T out   

T    
 ۰ Q۱  (m)in(m)out ED

T in   

ED,tot  ED,con  ED,eje  ED,eva  ED, ph  ED, p  ED,exv  ED,t  ED ,vg ( 12)

بازده گرمایی و اگزرژی چرخه به صورت زیر به دست می آید:

(۱۳) Wnet  Qeva th

Qvg
(14)× Wnet  Eref exe
Ein

که در آن Eref اگزرژی تبرید و Ein اگزرژی ورودی به چرخه می باشند.( Tr دمای اتاقک می باشد.)
(۱۵) T0
( Qeva (1- Eref 
T
r
(16) Ein  m16  h16  h0   T0  s16  s0 

۴ -معتبر سازی

بر اساس تحلیل های بالا یک برنامه شبیه سازی با استفاده از نرم افزار[۹] EES برای چرخه ترکیبی رانکین ارگانیک وتبرید اجکتوری که از R601 به عنوان سیال عامل و از گرمای اتلافی به عنوان منبع گرمایی استفاده

مطالعه چرخه ترکیبی توان …

می کرد، ایجاد شد. فرضیات اصلی استفاده شده در شبیه سازی در جدول۱ خلاصه شده اند.نتایج به دست آمده، با نتایج چرخه ترکیبی توان و تبرید اجکتوری که توسط ژانگ و همکاران [۱۰] و حسن و همکاران [۱۱] مقایسه گردیدند. نتایج مقایسه در جدول ۲ ارائه شده است که نشان دهنده سازگاری خیلی خوبی می باشد.

جدول .۱ فرضیات اصلی اعمال شده برای شبیه سازی سیکل ترکیبی

دمای محیط (کلوین) ۲۹۸/۱۵×

فشار محیط (مگاپاسکال) ۰/۱۰۱۳
فشار ورودی توربین (مگاپاسکال) ۰/۶
نسبت انبساط توربین ۳
بازده آیزنتروپیک توربین (%) ۸۵
دمای ورودی پمپ (کلوین) ۲۹۳/۱۵
بازده آیزنتروپیک پمپ (%) ۸۰
دمای تبخیر کننده (کلوین) ۲۷۳/۱۵
دمای ورودی آب خنک کننده (کلوین) ۲۸۸/۱۵
دمای اولیه منبع گرمایی (کلوین) ۴۰۳/۱۵
اختلاف دما (کلوین) ۱۰
نسبت توان به خنک سازی ۲/۲
توان خالص خروجی بی بعد ۰/۱
جدول .۲مقایسه نتایج کار فعلی با نتایج [۱۰] و [۱۱]