4-4) زنجیره ارزشی LNG67
4-5) آیا LNG یک سوخت ایمن است؟70
4-6) استفاده از انرژی سرد LNG71
4-7) اصطلاحات علمی سوخت های دیگر75
4-7-1) ترکیبات LNG75
4-7-2) ترکیبات میعانات گاز طبیعی75
4-7-3) ترکیبات LPG76
فصل 5: آنالیز انرژی و اگزرژی چرخه توان زباله سوز با استفاده از بازیافت انرژی سرد گاز طبیعی مایع شده به همراه استفاده از گاز طبیعی حاصله به عنوان سوخت اضافی زباله سوز78
مقدمه78
5-1) مختصری در مورد نرم افزار HYSIS80
5-2) تحلیل انرژی حرارتی81
5-3) تحلیل اگزرژی81
5-4) توصیف چرخه توان رایج با استفاده از زباله سوز82
5-4-1) مختصری در مورد زباله سوز84
5-4-2) چگونگی تبدیل زباله سوز به یک مبدل حرارتی85
5-5) توصیف چرخه توان ترکیبی با استفاده از زباله سوز به همراه بازیابی انرژی سرد LNG87
5-6) توصیف چرخه توان ترکیبی با استفاده از زباله سوز به همراه بازیابی انرژی سرد LNG و استفاده از گاز شهری تولید شده به عنوان سوخت اضافی در زباله سوز92
5-6-1) معادلات بالانس انرژی93
5-6-1-1) زباله سوز93
5-6-1-2) مبدل حرارتی شماره 193
5-6-1-3) توربین شماره 193
5-6-1-4) توربین شماره 293
5-6-1-5) مبدل حرارتی شماره 293
5-6-1-6) پمپ شماره 193
5-6-1-7) پمپ شماره 294
5-6-1-8) گاز شهری94
5-6-1-9) بالانس انرژی کلی94
5-6-1-10) راندمان انرژی94
5-6-2) معادلات بالانس اگزرژی94
5-6-2-1) اگزرژی هوا94
5-6-2-2) اگزرژی مخلوط آمونیاکی95
5-6-2-3) اگزرژی ورودی به چرخه95
5-6-2-4) اگزرژی خروجی از چرخه95
5-6-2-5) بالانس اگزرژی کلی95
5-6-2-6) راندمان اگزرژی95
5-7) تحلیل حساسیت102
5-7-1) تحلیل نمودارهای اگزرژی و انرژی در حالت تغییر دمای جریان شماره 1104
5-7-2) تحلیل نمودارهای اگزرژی و انرژی در حالت تغییر فشار جریان شماره 7106
5-7-3) تحلیل نمودارهای اگزرژی و انرژی در حالت تغییر فشار جریان شماره 8108
فصل 6: نتیجه گیری109
6-1) پیشنهادها110
فهرست شکلها
شکل (1-1) رابطه بین فاکتور دمای اگزرژی و نسبت دمای مطلق……………………………………………………………………20
شکل (2-1) نمودار تغییرات بازده تولید همزمان بر حسب نسبت توان به گرما………………………………………………..38
شکل (3-1) نحوه وارد کردن اطلاعات در برنامه در حالت معلوم بودن ترکیب فیزیکی زباله……………………………58
شکل (3-2) نحوه نمایش نتایج محاسبات در حالت معلوم بودن ترکیب فیزیکی زباله……………………………………..58
شکل (3-3) نحوه وارد کردن اطلاعات در برنامه در حالت معلوم بودن ترکیب شیمیایی زباله…………………………59
شکل (3-4) نحوه نمایش نتایج محاسبات در حالت معلوم بودن ترکیب شیمیایی زباله…………………………………..60
شکل (4-1) هزینههای انتقال گاز طبیعی بر حسب نوع انتقال…………………………………………………………………………62
شکل(4-2) ترمینال LNG جزیره کنوی انگلستان، اولین در دنیا………………………………………………………………………64
شکل(4-3) ترکیبات گاز طبیعی………………………………………………………………………………………………………………………….66
شکل(4-4) ترکیبات LNG ……………………………………………………………………………………………………………………………….66
شکل(4-5) زنجیره ارزشی LNG ……………………………………………………………………………………………………………………….67
شکل(4-6) یک کشتی حمل LNG ……………………………………………………………………………………………………………………69
شکل (5-1) چرخه توان رایج (چرخه شماره 1) با استفاده از زباله سوز…………………………………………………………….83
شکل (5-2) شبیه سازی چرخه توان رایج (چرخه شماره 1) در نرم افزار HYSIS …………………………………………84
شکل (5-3) چرخه توان ترکیبی با استفاده از زباله سوز (چرخه شماره 2) به همراه بازیابی انرژی سرد LNG..88
شکل (5-4) شبیه سازی چرخه توان ترکیبی با استفاده از زباله سوز (چرخه شماره 2) به همراه بازیابی انرژی سرد LNG در نرم افزار HYSIS………………………………………………………………………………………………………………………………….89
شکل (5-5) چرخه توان ترکیبی با استفاده از زباله سوز (چرخه شماره 3) به همراه بازیابی انرژی سرد LNG و استفاده از گاز شهری تولید شده به عنوان سوخت اضافی در زباله سوز…………………………………………………………92
شکل (5-6) شبیه سازی چرخه توان ترکیبی با استفاده از زباله سوز (چرخه شماره 3) به همراه بازیابی انرژی سرد LNG و استفاده از گاز شهری تولید شده به عنوان سوخت اضافی در زباله سوز………………………………………………98
شکل (5-7) مقایسه راندمانهای انرژی و اگزرژی چرخههای شماره 1، 2 و 3………………………………………………101
شکل (5-8) تاثیر دمای بر راندمان حرارتی چرخه شماره 3…………………………………………………………………..103
شکل (5-9) تاثیر دمای بر راندمان اگزرژی چرخه شماره 3…………………………………………………………………..103
شکل (5-10) تاثیر فشار بر راندمان حرارتی چرخه شماره 3…………………………………………………………………105
شکل (5-11) تاثیر فشار بر راندمان اگزرژی چرخه شماره 3…………………………………………………………………105
شکل (5-12) تاثیر فشار بر راندمان حرارتی چرخه شماره 3…………………………………………………………………107
شکل (5-13) تاثیر فشار بر راندمان اگزرژی چرخه شماره 3…………………………………………………………………107
فهرست جداول
جدول (1-1) مقایسه مفهوم انرژی و اگزرژی……………………………………………………………………………………………………12
جدول (1-2) یکی از انواع مدلهای محیط مرجع…………………………………………………………………………………………….23
جدول (3-1) حدود ارزش گرمایی و رطوبت اجزای زباله در حالت طبیعی و مرطوب……………………………………..47
جدول (3-2) رطوبت و عناصر شیمیایی اجزای موجود در زباله……………………………………………………………………….48
جدول (3-3) ترکیب اجزای زباله مورد استفاده در زباله سوز چرخه مورد بررسی بر حسب مواد شیمیایی مجزا…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..51
جدول (5-1) راندمانهای انرژی و اگزرژی چرخه شماره 1…………………………………………………………………………….87
جدول (5-2) راندمانهای انرژی و اگزرژی چرخه شماره 2…………………………………………………………………………….91
جدول (5-3) راندمانهای انرژی و اگزرژی چرخه شماره 3…………………………………………………………………………..100
فهرست علائم و اختصارات
حروف لاتین
اگزرژیe or Ex exergy (kJ/kg)آنتالپی h enthalpy (kJ/kg)آنتروپی s entropy (kJ/kgK)مبدل حرارتیHX heat exchangerکمترین ارزش حرارتیLHV Lower Heating Value (kJ/kg)بیشترین ارزش حرارتیHHV Higher Heating Value (kJ/kg)ارزش حرارتی کلیGHV Gross Heating Value (kJ/kg)دبی جرمی جریان mass flow rate (kg/s)فشارP pressure (kPa)نرخ انتقال حرارتQ heat transfer rate (kW)کارW work (kW)دماT temperature (K)راندمان efficiencyگاز طبیعی مایعLNG Liquid Natural Gasگاز مایع پتروشیمیاییLPG Liquid Petroleum Gas گاز طبیعی فشردهCNG Compressed Natural Gasمیعانات گاز طبیعیNGLs Natural Gas Liquidsتبدیل گاز به مایعGTL Gas to Liquidتولید ترکیبی کار و حرارتCHP Combined Heat & Powerدمای شعله تئوریTFT Theoric Flame Temperatureبدون رطوبتMF Moisture Freeبدون رطوبت و خاکسترMAF Moisture and Ash Free
زیر نویسها
گرمای ویژهCp specific heat (kJ/kgK)هواA airگاز شهریCG city gasگرماییth thermalزبالهG garbageزباله سوزINC incineratorچرخه گاز طبیعی مایع شدهL LNG cycleچرخه محلول آمونیاکیN NH3/H2O cycleتوربین شماره 1TN1 turbine 1توربین شماره 2TN2 turbine 2پمپ شماره 1P1 pump 1پمپ شماره 2P2 pump 2نقطه مرجع (محیط)O reference (ambient)گاز طبیعیN.G natural gasدمای مرزborder temperature ورودیin خروجیout تلفاتloss محیطamb ambientخالصnet افزوده شدهexcess متانCH4 تولید همزمان COGEN سوختFUELتولید شدهGENتوانPOWERمجموعه نیروگاهیSITEبویلرBOILERگرمکن احتراقیFIRE HEATERبخارSREAMآب تغذیه بویلرBFW Boiler Feed Waterنسبت توان به گرماR
فصل 1: مقدمهای بر آنالیز انرژی و اگزرژی
مقدمه
آنالیز اگزرژی یک روش آنالیز ترمودینامیکی است که بر اساس قانون دوم ترمودینامیک بوده و به صورت بسیار معنا دار و منطقی یک روش ثانوی و روشنگرانه جهت ارزیابی و مقایسه فرآیندها و سیستمها ارائه میکند. به ویژه آنالیز اگزرژی منجر به ارائه راندمانهایی میشود که مقیاس درستی از اینکه چگونه عملکرد واقعی به عملکرد ایدهآل نزدیک میشود، ارائه میکند و همچنین نسبت به آنالیز انرژی، دلایل و مکانهای افتهای ترمودینامیکی را به صورت بسیار شفافتر بیان میکند. بنابراین آنالیز اگزرژی میتواند به بهبود و بهینه سازی طراحها کمک کند.
در سالهای اخیر شاهد افزایش کاربرد و درک سودمندی روش آنالیز اگزرژی توسط صنعتگران، دولتها و دانشگاهیان بودهایم. همچنین روش آنالیز اگزرژی به سرعت در حال جهانی شدن است و امید است با به کار گیری این روش، از منابع انرژی موجود حداکثر بهره برداری صورت گیرد.
1-1) چرا آنالیز انرژی و اگزرژی؟
ترمودینامیک به توصیف رفتار، عملکرد و راندمان سیستمها در حیطه تبدیل انرژی از یک حالت به حالت دیگر میپردازد. آنالیز ترمودینامیکی رایج در وحله اول بر اساس قانون اول ترمودینامیک است که قانون بقای انرژی را بیان میکند. آنالیز انرژی یک سیستم تبدیل انرژی اساساً برآورد انرژیهای ورودی و خروجی از سیستم است. انرژی خروجی از سیستم به دو بخش محصولات و تلفات شکسته میشود. راندمانها اغلب به صورت نسبت کمیتهای انرژی سنجیده میشوند، و اغلب به منظور ارزیابی و مقایسه سیستمهای مختلف به کار میروند. برای مثال نیروگاهها، گرمکنندهها و یخچالها اغلب بر اساس راندمانهای انرژی یا مقیاسهای مطلوبیت انرژی مقایسه میشوند.
به هر حال، راندمانهای انرژی اغلب منجر به گمراهی نیز میشوند. زیرا آنها همیشه معیاری از چگونگی نزدیکی عملکرد سیستم به عملکرد حالت ایدهآل سیستم را ارائه نمیدهند. علاوه بر این، تلفات ترمودینامیکی که درون یک سیستم به وجود میآیند (یعنی فاکتورهایی که باعث انحراف عملکرد سیستم از حالت ایدهآل میشوند)، اغلب به صورت صحیح همراه آنالیز انرژی تعیین و ارزیابی نمیشوند. نتایج آنالیز انرژی میتوانند نشان دهند که ناکارآییهای عمده درون بخشهای اشتباه سیستم وجود داشته و همچنین بیان راندمان تکنولوژکی، از آنچه به واقع وجود دارد متفاوت است.
آنالیز اگزرژی بسیاری از نقایص آنالیز انرژی را از بین میبرد. آنالیز اگزرژی بر اساس قانون دوم ترمودینامیک است و جهت تعیین علل، موقعیت و بزرگی ناکارآیی فرآیندها بسیار مفید است. اگزرژی موجود در مقدار مشخصی انرژی در واقع برآوردی کمی از میزان مفید بودن آن انرژی یا به تعبیری کیفیت آن انرژی است. آنالیز اگزرژی تصدیق میکند که اگرچه انرژی نمیتواند تولید و یا نابود شود، اما از کیفیت آن میتواند کاسته شود و در نهایت میتواند به حالتی برسد که در آن در حالت تعادل کامل با محیط بوده و از اینرو قادر به انجام کار نخواهد بود.
برای مثال، در مورد سیستمهای ذخیرهسازی انرژی، با استفاده از آنالیز اگزرژی قادر هستیم پتانسیل ماکزیمم موجود در انرژی ورودی به سیستم را تعیین کنیم. تنها چنانچه انرژی دستخوش فرآیندهای برگشتپذیر باشد، این ماکزیمم پتانسیل حفظ شده و قابل بازیابی خواهد بود. در دنیای واقعی و به دلیل برگشت ناپذیر بودن همیشگی فرآیندها، به هنگام بازیابی این پتانسیل با تلفات روبرو خواهیم بود.

جریان اگزرژی یک ماده در حال جریان زمانی بیشینه است که کار حاصل از آن هنگامی بدست آید که فرآیند به صورت برگشت پذیر به حالت محیط برسد و تبادل جرم و حرارت تنها با محیط صورت گیرد. در اصل، آنالیز اگزرژی بیان میکند که محدودیتهای تئوریکی که در سیستم وجود دارد، آشکارا بیانگر این است که هیچ سیستم واقعی نمیتواند همه اگزرژی را حفظ نموده و تنها بخشی از اگزرژی ورودی به سیستم قابل بازیابی است. همچنین آنالیز اگزرژی محدودیتهای عملی را از طریق ارائه تلفات به صورتی که مقیاس مستقیمی از تلفات اگزرژی است، به شکل کمی مشخص میکند.
اصطلاح اگزرژی اغلب با عناوینی نظیر انرژی در دسترس، قابلیت استفاده، قابلیت انجام کار و … نیز به کار برده میشود. مصرف اگزرژی نیز اغلب بازگشت ناپذیری، کار تلف شده، اتلاف و … نامیده میشود. نامگذاری ترمهای اگزرژی منطبق بر نامگذاری تحلیل اگزرژی استاندارد کتاس1 و همکاران او در سال 1987 میباشد] 1[.
جدول (1-1): مقایسه مفهوم انرژی و اگزرژی
انرژیاگزرژیفقط وابسته به خواص ماده یا جریان انرژی بوده و مستقل از محیط است.وابسته به خواص ماده، جریان انرژی و محیط است.وقتی با محیط در تعادل است مقادیری غیر از صفر میتواند داشته باشد.وقتی که در حالت مرده (تعادل با محیط) قرار دارد مقدار آن صفر است.با توجه به قانون اول ترمودینامیک اصل بقا دارد. (اصل بقای انرژی)فقط برای فرآیندهای برگشت پذیر اصل بقا دارد و برای فرآیندهای برگشت ناپذیر اصل بقا ندارد.به هیچ عنوان نابود یا خلق نمیشود.برای فرآیندهای برگشت پذیر نابود یا خلق نمیشود ولی برای فرآیندهای برگشت ناپذیر نابود میشود.به صورت های مختلف (جنبشی، پتانسیل، کار و غیره) وجود دارد و به همان گونه نیز اندازه گیری میشود.به صورت های مختلف وجود دارد و بر مبنای کار و یا قابلیت تولید کار تعریف میگردد.مقیاسی برای کمیت است.مقیاسی هم برای کیفیت و هم کمیت است.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

1-2) بالانس جرم، انرژی و آنتروپی
بالانس کلی یک کمیت در یک سیستم را میتوان به صورت زیر نوشت:
(1-1)ورودی و خروجی به ترتیب به کمیتهای وارد شده و خارج شده از مرزهای سیستم اشاره دارند. تولید و اتلاف نیز به ترتیب به کمیتهای تولید شده و تلف شده (از بین رفته) در سیستم اشاره دارند. انباشتگی به افزودن (منفی یا مثبت) یک کمیت در درون سیستم اشاره میکند.
بالانس کلی بالا را میتوان برای کمیتهای جرم، انرژی، آنتروپی و اگزرژی نوشت. جرم و انرژی، بر اساس قوانین پایستگی (صرف نظر از واکنشهای هستهای) نه به وجود میآیند و نه از بین میروند. و لذا بالانس کلی بالا برای هر کدام از این کمیتها به صورت زیر نوشته میشود:
(1-2)
(1-3)قبل از نوشتن معادله بالانس برای اگزرژی، بهتر است که این کار را برای آنتروپی انجام دهیم:
(1-4)به واسطه وجود بازگشت ناپذیریها در طول فرآیند، آنتروپی به وجود میآید اما از بین نمیرود. این معادلات بالانس نشان میدهند که در یک بازه زمانی در یک سیستم چه اتفاقی میافتد. در یک فرآیند چرخهای کامل که حالتهای ابتدایی و نهایی سیستم یکسان است، ترم انباشتگی در همه معادلات بالانس صفر خواهد بود.
1-3) معادلات دقیق بالانس
در حالت کلی دو نوع سیستم در نظر میگیریم: سیستم باز (جریان دار) و سیستم بسته (بدون جریان). در حالت کلی سیستمهای باز دارای بر هم کنشهای جرم، حرارت و کار میباشند در حالی که سیستمهای بسته دارای بر هم کنشهای کار و حرارت میباشند. ورورد جریان جرم و انتقال حرارت به سیستم و گرفتن کار از سیستم را معمولا مثبت تعریف میکنیم.
یک فرآیند جریان ناپایدار را در بازه زمانی تا در نظر بگیرید. معادلات بالانس جرم، انرژی و آنتروپی را میتوان به ترتیب به صورت زیر نوشت:
(1-5)(1-6)(1-7)در این روابط و به ترتیب مقادیر جرم وارد شده به سیستم از ورودی و جرم خارج شده از سیستم از خروجی را نشان میدهند. مقدار حرارت وارد شده به حجم کنترل از طریق ناحیه واقع بر سطح کنترل را نشان میدهد. مقدار کار خارج شده از سطح کنترل است.
مقدار آنتروپی تولید شده در حجم کنترل است (همچنین به صورت نیز نشان داده میشود). و و به ترتیب مقادیر جرم، انرژی و آنتروپی موجود در حجم کنترل در لحظه را نشان میدهند. همچنین و و نیز به ترتیب مقادیر جرم، انرژی و آنتروپی موجود در حجم کنترل در لحظه را نشان میدهند. و به ترتیب نمایانگر انرژی مخصوص، آنتروپی مخصوص، فشار مطلق، دمای مطلق و حجم مخصوص میباشند. کار کل انجام شده توسط سیستم ، شامل کار جریان نبوده و آن را میتوان به صورت زیر نوشت:
(1-8)در رابطه فوق کار انجام شده توسط سیستم به واسطه تغییر حجم است و کار محوری انجام شده توسط سیستم است. ترم کار محوری شامل تمامی حالتهای کار میشود که میتواند جرمی را از روی زمین بلند کند ( مانند کار مکانیکی، کار الکتریکی و …) اما کار انجام شده توسط سیستم به واسطه تغییر حجم را در بر نمیگیرد.
انرژی مخصوص به صورت زیر نشان داده میشود:
(1-9)
در این رابطه به ترتیب بیانگر انرژی داخلی مخصوص، انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل میباشند. در یک فرآیند بازگشت ناپذیر و در یک فرآیند بازگشت پذیر است.
برای جریان جرمی که از ورودی (خروجی) عبور میکند، رابطه زیر برقرار است:
(1-10)در این رابطه چگالی جرم عبوری از المان سطحی روی سطح کنترل و در بازه زمانی تا است و مولفه سرعت جریان جرم عمود بر المان سطحی است. در جریان یک بعدی (جریانی که در آن سرعت و دیگر ویژگیهای شدتی در موقعیتهای مختلف نسبت به مقطع تغییر نمیکنند)، معادله فوق به صورت زیر خواهد بود:
(1-11)پیش از این فرض شده بود که انتقال حرارت در نواحی مجزا روی سطح کنترل رخ دهد و دمای هر ناحیه ثابت باشد. چنانچه دما در ناحیه انتقال حرارتی تغییر کند:
(1-12)(1-13)در روابط فوق دمای نقطهای روی سطح کنترل است که شار حرارتی در آنجا است. همچنین در این روابط انتگرال گیری بر روی سطح جانبی ناحیه انجام گرفته است.
کمیتهای جرم، انرژی و آنتروپی موجود در حجم کنترل به صورت زیر تعریف میشوند:
(1-14)(1-15)(1-16)انتگرالهای فوق بر روی حجم کنترل محاسبه میشوند.
در یک سیستم بسته معادلات (5-3) تا (7-3) به صورت زیر نوشته میشوند:
(1-17)(1-18)(1-19)
1-4) اگزرژی سیستم بسته
اگزرژی یک سیستم بسته با جرم را میتوان به صورت زیر نوشت:
(1-20)ترمهای رابطه فوق به صورت زیر میباشند:
(1-21)(1-22)(1-23)(1-24)در این روابط سیستم دارای دمای، فشار ، پتانسیل شیمیایی برای انواع ، آنتروپی ، انرژی ، حجم و تعداد مول برای انواع است. سیستم در محیطی فرضی قرار دارد که آن محیط در حالت تعادل قرار داشته و خواص شدتی آن عبارتند از: .
کمیت نشانگر مقدار در حالت محیطی است (یعنی در شرایط ). ترمهای موجود در سمت راست معادله (1-20) به ترتیب نمایانگر اگزرژی فیزیکی، اگزرژی شیمیایی، اگزرژی سینتیک و اگزرژی پتانسیل یک سیستم غیر جریانی میباشند.
اگزرژی خاصیتی از سیستم و محیط اطراف آن است که خواص شدتی و مقداری سیستم را با خواص شدتی محیط در هم میآمیزد.
اگزرژی فیزیکی یک سیستم بسته بیشترین کار قابل حصول از سیستم است که در حالتی بدست آمده است که فرآیند به حالت تعادل مکانیکی و گرمایی با محیط رسیده است و اگزرژی شیمیایی یک سیستم بسته بیشترین کار قابل حصول از سیستم است در حالی که فرآیند از حالت محیط به حالت مرده برسد (یعنی تعادل کامل با محیط).
1-5) اگزرژی جریانها
1-5-1) اگزرژی جریان یک ماده
اگزرژی جریان یک ماده مجموع اگزرژی غیر جریانی ماده به همراه کار جریان ماده است (نسبت به نقطه مرجع )، یعنی:
(1-25)با جایگزینی از روابط مربوط به اگزرژی سیستم بسته بدست میآوریم:
(1-26)(1-27)(1-28)(1-29)(1-30)
1-5-2) اگزرژی انرژی گرمایی
یک جرم کنترل را در نظر بگیرید که ابتدا در حالت مرده قرار دارد و در یک واکنش شیمیایی با یک سیستم دیگر و در حجم ثابت شروع به گرم شدن یا سرد شدن میکند. حرارت جذب شده توسط جرم کنترل را مینامیم. چنانچه جریان اگزرژی همراه با حرارت منتقل شده را توسط نشان دهیم خواهیم داشت:
(1-31)در این رابطه انتقال حرارت افزایشی است و انتگرال گیری از حالت اولیه تا حالت نهایی انجام میشود. این اگزرژی گرمایی معادل حداقل کار مورد نیاز سیستم ترکیبی جرم کنترل و محیط است و به منظور تغییر حالت جرم کنترل از حالت مرده به حالت نهایی مورد نیاز است. اغلب کمیت بدون بعد درون پرانتز عبارت فوق را فاکتور دمای اگزرژی2 مینامند و با نشان میدهند:
(1-32)رابطه بین و نسبت دمایی در شکل (1-1) نشان داده شده است.
چنانچه دمای جرم کنترل ثابت باشد، اگزرژی گرمایی منتقل شده همراه با انتقال حرارت به صورت زیر نوشته میشود:
(1-33)در حالتی که انتقال حرارت در ناحیه روی سطح کنترل رخ دهد و در این ناحیه تغییر دما نیز داشته باشیم:
(1-34)در این رابطه جریان حرارت بر واحد سطح را در ناحیهای بر روی سطح کنترل نشان میدهد که دمای آن است.
1-5-3) اگزرژی کار
معادله (1-8) کار کل را به دو مولفه و تجزیه میکند. اگزرژی همراه با کار محوری توسط تعریف میشود.
انتقال اگزرژی همراه با کار انجام شده به واسطه تغییر حجم توسط سیستم، کار خالص قابل استفاده به واسطه تغییر حجم بوده و توسط نشان داده میشود. لذا برای یک فرآیند در بازه زمانی تا داریم:
(1-35)در این رابطه کار انجام شده توسط سیستم به دلیل تغییر حجم است. ترم کار جابجایی لازم جهت تغییر حجم در برابر فشار ثابت اعمال شده از محیط است.
شکل (1-1): رابطه بین فاکتور دمای اگزرژی و نسبت دمای مطلق
1-5-4) اگزرژی الکتریکی
همانند کار محوری اگزرژی همراه با الکتریسیته معادل انرژی است.
1-6) اتلاف اگزرژی
در یک فرآیند که در یک سیستم رخ میدهد، اختلاف بین اگزرژی کل ورودی به سیستم و اگزرژی کل خروجی از آن منهای انباشتگی اگزرژی در سیستم، اتلاف اگزرژی نامیده میشود و به صورت زیر بیان میشود:
(1-36) معادله فوق بیان میکند که اتلاف اگزرژی متناسب با تولید آنتروپی است و این رابطه به عنوان رابطه گوی-استودولا3 شناخته میشود.
1-7) بالانس اگزرژی
از ترکیب قانون پایستگی انرژی و قانون عدم پایستگی آنتروپی، بالانس اگزرژی را میتوان به صورت زیر نوشت:
(1-37)اتلاف (مصرف) اگزرژی به دلیل بازگشت ناپذیریها است. اتلاف اگزرژی متناسب با تولید آنتروپی است. معادلات (1-3) و (1-37) یک تفاوت اساسی بین انرژی و اگزرژی را بیان میکنند و آن این است که انرژی پایسته است در حالی که اگزرژی (میزان کیفیت یا پتانسیل انجام کار انرژی) میتواند اتلاف داشته باشد.
معادلات بالانس مشابهی همانند معادلات (1-5) تا (1-7) را میتوان برای اگزرژی نیز به کار برد. با استفاده از تعبیر فیزیکی معادله (1-37)، برای یک فرآیند غیر دائم و در خلال بازه زمانی تا خواهیم داشت:
(1-38)در معادله فوق ترم توسط معادله (35-3) تعریف میشود. همچنین:
(1-39)(1-40)(1-41)در روابط فوق و به ترتیب اتلاف اگزرژی و تولید آنتروپی را نشان میدهند. بیانگر اگزرژی و انتگرال روی حجم کنترل محاسبه شده است. دو ترم اول سمت چپ معادله (1-38) نشانگر اگزرژی خالص ورودی همراه با جرم هستند و ترم سوم اگزرژی خالص ورودی همراه با حرارت را نشان میدهد، ترم چهارم و پنجم معرف اگزرژی خالص ورودی همراه با کار بوده و ترم ششم اتلاف اگزرژی را نشان میدهد. سمت راست معادله (1-38) معرف انباشتگی اگزرژی میباشد. برای یک سیستم بسته معادله (1-38) به معادله زیر ساده میشود:
(1-42)چنانچه حجم ثابت باشد خواهد بود. همچنین هنگامی که حالتهای ابتدایی و انتهایی یکسان هستند (مثلاً در یک چرخه کامل)، سمت راست معادلات (1-38) و (1-42) صفر میشود.
1-8) محیط مرجع
اگزرژی نسبت به یک محیط مرجع سنجیده میشود، از اینرو خواص شدتی محیط مرجع اگزرژی جریان یا سیستم را تعیین میکنند.
1-8-1) مشخصات تئوری محیط مرجع
محیط مرجع با تمامی اجزای آن در تعادل پایدار قرار دارد. همچنین بین اجزای محیط واکنشهای شیمیایی وجود ندارد. محیط مرجع همانند یک سیستم بینهایت رفتار میکند و برای حرارت و ماده نقش چشمه و چاه را ایفا میکند. محیط مرجع تنها فرآیندهای بازگشت پذیر داخلی را تجربه میکند که در آنها خواص شدتی محیط بدون تغییر باقی میمانند (یعنی ، و پتانسیل شیمیایی هر مولفه ثابت باقی میمانند. اگزرژی محیط مرجع صفر است. اگزرژی یک جریان یا یک سیستم در تعادل با محیط مرجع نیز صفر است.
محیط طبیعی دارای خواص تئوریکی محیط مرجع نمیباشد. محیط طبیعی در حالت تعادل قرار ندارد و خواص شدتی آن دارای تغییرات مکانی و زمانی میباشند. اگزرژی محیط طبیعی صفر نیست و چنانچه محیط طبیعی به حالت تعادل برود میتوان از آن کار دریافت کرد. بنابراین مدلهای محیط مرجع را مورد استفاده قرار میدهیم تا بتوانیم سازگاریهای لازم بین نیازمندیهای تئوریکی محیط مرجع و رفتار واقعی محیط طبیعی را بدست آوریم.
1-8-2) مدلهای محیط مرجع
در زیر چندین مدل محیط مرجع را مورد بررسی قرار میدهیم:
* مدلهای زیر سیستمی محیط طبیعی: یکی از دستههای مهم مدلهای محیط طبیعی، مدل زیر سیستمی محیط طبیعی است. این مدلها در تلاشاند تا زیر سیستمهای واقعی محیط طبیعی را شبیه سازی کنند. جدول (1-2) یکی از مدلهای زیر سیستمی را نشان میدهد.
جدول (1-2): یکی از انواع مدلهای محیط مرجع
* مدلهای ماده مرجع: در این مدل یک ماده مرجع انتخاب میشود و و برای هر المان شیمیایی آن اگزرژی صفر در نظر گرفته میشود.
* مدلهای تعادلی: مدلی که در آن تمامی مواد موجود در اتمسفر، اقیانوسها و پوسته زمین با یکدیگر ادغام میشوند و ترکیب تعادلی در یک دمای مشخص تعیین میشود. این مدل توسط آرنتز4 در سال 1980 ارائه شده است.
* مدلهای تعادلی محدود: آرنتز در سال 1980، مدل اصلاح شدهای از مدل تعادلی خود را ارائه نمود که در آن محاسبه ترکیب تعادلی بدون در نظر گرفتن احتمال تشکیل اسید نیتریک () انجام شده است.
* مدلهای مستقل فرآیندی: این مدل تنها مولفههایی را در بر میگیرد که در فرآیند مورد آزمایش که در ترکیب تعادلی پایدار و در دما و فشار کل محیط طبیعی انجام شده است سهیم باشند. این مدل توسط بوسنجاکوویچ5 در سال 1963 ارائه شده است.
1-9) راندمانها و دیگر مقیاسهای مورد اهمیت
همیشه در تصمیمگیری راجع به بهرهوری منابع، راندمان از اهمیت بالایی برخوردار است. راندمان به صورت توانایی تولید یک اثر مطلوب، بدون اتلاف و یا حداقل استفاده از انرژی، زمان، منابع و … تعریف میشود و نشانگر میزان نزدیکی به حالت ایده آل در انجام یک فرآیند است.
برای تعیین راندمان در اغلب سیستمهای مهندسی از نسبتهای بی بعد کمیتها استفاده میشود. از نسبتهای انرژی معمولاً برای تعیین راندمانهای سیستمهای مهندسی که هدف اولیه آنها تبدیل انرژی است استفاده میشود. این راندمانها بر اساس قانون اول ترمودینامیک میباشند. مطابق با قانون اول ترمودینامیک چنانچه در یک فرآیند میزان انرژی ورودی معادل انرژی قابل بازیافت خروجی باشد (یعنی اتلاف انرژی وجود ندارد)، راندمان ماکزیمم است. با این وجود راندمانهای انرژی اغلب ما را به اشتباه میاندازند زیرا این راندمانها مقیاس مناسبی از نزدیکی به حالت ایدهآل نیستند.
برای تعیین راندمانهای معنیدارتر، کمیتی نیاز است که نسبتهای آن مقیاس درستتری از نزدیکی به حالت ایدهآل ارائه دهند. بنابراین میبایست از قانون دوم ترمودینامیک استفاده کنیم. قانون دوم ترمودینامیک بیان میکند که بیشترین راندمان مربوط به فرآیند برگشت پذیر است. بنابراین باید قانون دوم را به صورت کمی ارائه کنیم تا راندمانها قابل تعریف باشند.
اصل افزایش آنتروپی، که بیانگر تولید آنتروپی به واسطه بازگشت ناپذیریها است، قانون دوم ترمودینامیک را کمی میکند. از نقطه نظر آنتروپی، راندمان فرآیندی ماکزیمم است که در آن فرآیند آنتروپی پایسته باشد. در فرآیندهای غیر ایدهآل آنتروپی تولید میشود. مقدار تولید آنتروپی معیاری از غیر ایدهآل بودن یا بازگشت ناپذیری فرآیند است. در حالت کلی نسبتهای آنتروپی معیاری از میزان نزدیکی فرآیند به حالت ایدهآل ارائه نمیکنند.
با توجه به قانون دوم ترمودینامیک، کمیتی که معیار مناسبی از میزان نزدیکی به حالت ایدهآل ارائه میکند نجنتروپی6 میباشد. تعریف این کمیت به این صورت است که اتلاف نجنتروپی به واسطه بازگشت ناپذیریها معادل تولید آنتروپی به واسطه بازگشت ناپذیریها است. در نتیجه اصل افزایش آنتروپی، از نقطه نظر نجنتروپی، راندمان ماکزیمم یک فرآیند وقتی حاصل میشود که نجنتروپی پایسته باشد. در فرآیندهای غیر ایدهآل نجنتروپی تلف میشود. به هر حال راندمانهای کلی را نمیتوان بر اساس نجنتروپی تعریف نمود، زیرا مقدار مطلق نجنتروپی تعریف نشده است.
میتوان از طریق توانایی انجام کار، نجنتروپی را بیشتر کمی کرد. پس راندمان ماکزیمم تنها وقتی قابل حصول است که در پایان فرآیند، مجموع کل انرژیهای موجود که قابلیت انجام کار دارند با مجموع این انرژیها قبل از انجام فرآیند برابر باشد. اگزرژی معیاری از توانایی انجام کار است و از نقطه نظر اگزرژی، راندمان فرآیندی ماکزیمم است که اگزرژی در آن پایستار باشد. راندمانهای تعریف شده با استفاده از نسبتهای اگزرژی، معیار مناسبی از نزدیکی به حالت ایدهآل ارائه میکنند. راندمان اگزرژی نسبت به راندمان انرژی بهتر درک میشود زیرا مقادیر آن همیشه بین 0% تا 100% است. مقادیر بیشتر از 100% در راندمان انرژی، نظیر مقادیر ضریب عملکرد یخچالها، با در نظر گرفتن راندمان اگزرژی به مقادیر بین 0% تا 100% تبدیل میشوند. در واقع برخی محققان7 راندمانهای اگزرژی را واقعی و درست مینامند در حالی که راندمانهای انرژی را تخمینی از واقعیت مینامند.
راندمانهای انرژی () و اگزرژی () برای فرآیندهای جریان پایدار که در یک سیستم رخ میدهند، اغلب به صورت زیر نوشته میشوند:
(1-43)(1-44)دو نوع راندمان معمول دیگر که بر اساس اگزرژی میباشند مطابق زیر تعریف میشوند:
(1-45)(1-46)
در یک فرآیند، راندمان اگزرژی اغلب دیدگاه روشنگرانهتری نسبت به راندمان انرژی ارائه میکند، زیرا راندمان اگزرژی انرژی جریانها را بر طبق محتوی اگزرژی آنها میسنجد و همچنین ناکارآمدیها را به دو بخش تلفات جریانات خروجی و تلفات ناشی از بازگشت ناپذیریها تقسیم میکند. در حالت کلی راندمان اگزرژی معیاری از پتانسیل بهبود فرآیند را ارائه میکند.
1-10) فرآیند آنالیز انرژی و اگزرژی
یک روش ساده برای انجام آنالیز انرژی و اگزرژی شامل مراحل زیر میباشد:
* تقسیم فرآیند مورد نظر به تعداد بخشهای دلخواه که به عمق جزئیات آنالیز بستگی دارد
* انجام بالانس جرم و انرژی بر روی فرآیند، و تعین تمامی کمیتهای اساسی از جمله کار و حرارت، و ویژگیهایی همچون دما و فشار
* انتخاب مدل محیط مرجع بر اساس ماهیت فرآیند، میزان پیچیدگی و قابل قبول بودن تحلیل، و پرسشهایی که برای آنها به دنبال جواب هستیم
* تعیین مقادیر انرژی و اگزرژی نسبت به مدل محیط مرجع انتخاب شده
* انجام بالانس اگزرژی و تعیین مقادیر اتلافات اگزرژی
* انتخاب تعریف راندمانها بر اساس معیارهای مورد نظر و تعیین مقادیر راندمانها
* تفسیر نتایج و ترسیم نتایج و پیشنهادات
1-11) خواص انرژی و اگزرژی
جهت آنالیز انرژی و اگزرژی فرآیندها، بسیاری از خواص ماده مورد نیاز است. خواص بسیاری از مواد (مانند بخار، هوا، گازهای حاصل از احتراق و مواد شیمیایی)، در مراجع متعددی وجود دارد.
مقادیر انرژی جریانهای کار و حرارت مطلق میباشند در حالی که مقادیر انرژی جریانهای جرمی نسبی هستند. آنتالپیها نسبت به یک سطح مبنا سنجیده میشوند. از آنجائی که آنالیز انرژی با اختلاف انرژی سر و کار دارد، سطح مبنای انتخاب شده در محاسبه آنتالپیها میتواند دلخواه باشد. اما با این وجود هنگام تعیین برخی راندمانهای انرژی، آنتالپیها میبایست نسبت به سطوح مبنای خاصی سنجیده شوند (برای مثال در فرآیندهای تبدیل انرژی، اغلب سطح مبنا به گونهای انتخاب میشود که آنتالپی ماده معادل ارزش حرارتی بیشینه آن شود8).
اما چنانچه بخواهیم نتایج آنالیزهای انرژی و اگزرژی را مقایسه کنیم، لازم است که سطوح مبنای محاسبات آنتالپی را به گونهای تعیین کنیم که آنتالپی یک ماده مرکب نسبت به مولفههای پایدار محیط مرجع سنجیده شود. بنابراین، ترکیبی که به عنوان مولفه پایدار محیط مرجع وجود دارد، طوری تعریف میشود که آنتالپی آن در و برابر صفر باشد. آنتالپیهای محاسبه شده نسبت به چنین شرایطی، آنتالپیهای پایه نامیده میشوند9. آنتالپی پایه مشابه آنتالپی تشکیل است.
آنتالپی تشکیل یک ترکیب، آنتالپی آن ترکیب در و است که نسبت به اجزای سازنده آن در و سنجیده میشود. آنتالپی پایه یک ترکیب، آنتالپی آن ترکیب در و است که نسبت به مولفههای پایدار محیط در و سنجیده میشود. در بسیاری از مدلهای محیط مرجع، آنتالپیهای پایه مواد سوختی برابر ارزش حرارتی بیشینه آنها است.

1-12) مفاهیم نتایج آنالیز اگزرژی
نتایج آنالیز اگزرژی فرآیندها و سیستمها مستقیماً بر تصمیمگیریهای کاربردی و مسیرهای تحقیق و توسعه10 موثر است. علاوه بر این، آنالیز اگزرژی در تعیین بهترین مسیرهای تحقیق و توسعه، بینش جامعتری نسبت به آنالیز انرژی در اختیار قرار میدهد. دو دلیل اصلی برای این امر وجود دارد:
1. تلفات اگزرژی معرف تلفات واقعی پتانسیل موجود تولید محصول دلخواه از ورودی محرک است. در حالت کلی این امر برای تلفات انرژی صحیح نیست. بنابراین چنانچه هدف ما افزایش راندمان باشد، تمرکز بر تلفات اگزرژی باعث تمرکز تحقیقات بر کاهش تلفات شده که باعث برآورده شدن هدف خواهد شد.
2. راندمانهای اگزرژی همیشه بیانگر معیار نزدیکی عملکرد سیستم به حالت ایدهآل هستند. این موضوع در حالت کلی برای راندمانهای انرژی صحیح نیست. با تمرکز تحقیقات بر آن بخشها یا فرآیندهایی از یک سیستم که کمترین راندمان اگزرژی را دارند، تلاش تحقیقاتی بر بخشهایی متمرکز شده است که ذاتاً بیشترین ظرفیت بهبود راندمان را دارند. به عبارت دیگر با تمرکز بر راندمانهای انرژی، تلاش تحقیقاتی صرف مواردی میشود که ظرفیت بالایی برای بهبود ندارند.
نتایج آنالیز اگزرژی معمولاً بیان میکنند که تلاش تحقیقاتی باید بیشتر بر روی تلفات اگزرژی داخلی متمرکز شود نه تلفات اگزرژی خارجی و نیز تقدم بررسی با فرآیندهایی است که تلفات اگزرژی آنها بیشتر است. این بیان به این مفهوم نیست که تلاش تحقیقاتی نباید بر روی فرآیندهایی با تلفات اگزرژی کمتر انجام شود بلکه این فرآیندها نیز مهم میباشند.
در حالت بسیار کلیتر، قابل ذکر است که تلاش تحقیقاتی نباید تنها بر اساس تحلیلهای انرژی و اگزرژی انجام شود. عوامل مهم دیگری نیز باید در نظر گرفته شوند که از جمله آنها میتوان از اقتصاد، تاثیرات محیطی، اصول ایمنی و پیامدهای اجتماعی و سیاسی نیز نام برد.
فصل 2: مقدمهای بر تولید همزمان کار و حرارت
مقدمه
تولید همزمان برق و حرارت یک روش صرفهجویی انرژی است که در آن برق و حرارت به صورت همزمان تولید میشوند. مصرف بیرویه انواع سوخت، ابعاد زیست محیطی و عدم امنیت در تامین منابع انرژی و همچنین گروهی از فاکتورهای دیگر، عواملی هستند که موجب رشد و توسعه تکنولوژی تولید همزمان در میان مدیران، مهندسان و طراحان شدهاند. سیستمهای تولید همزمان دارای پتانسیل لازم برای محدوده وسیعی از کابردها میباشند و بالا بودن راندمان آنها نسبت به سیستمهای مجزای تولید قدرت و حرارت کاملاً نمایان است.


پاسخ دهید