4-4) زنجيره ارزشي LNG67
4-5) آيا LNG يک سوخت ايمن است؟70
4-6) استفاده از انرژي سرد LNG71
4-7) اصطلاحات علمي سوخت هاي ديگر75
4-7-1) ترکيبات LNG75
4-7-2) ترکيبات ميعانات گاز طبيعي75
4-7-3) ترکيبات LPG76
فصل 5: آناليز انرژي و اگزرژي چرخه توان زباله سوز با استفاده از بازيافت انرژي سرد گاز طبيعي مايع شده به همراه استفاده از گاز طبيعي حاصله به عنوان سوخت اضافي زباله سوز78
مقدمه78
5-1) مختصري در مورد نرم افزار HYSIS80
5-2) تحليل انرژي حرارتي81
5-3) تحليل اگزرژي81
5-4) توصيف چرخه توان رايج با استفاده از زباله سوز82
5-4-1) مختصري در مورد زباله سوز84
5-4-2) چگونگي تبديل زباله سوز به يک مبدل حرارتي85
5-5) توصيف چرخه توان ترکيبي با استفاده از زباله سوز به همراه بازيابي انرژي سرد LNG87
5-6) توصيف چرخه توان ترکيبي با استفاده از زباله سوز به همراه بازيابي انرژي سرد LNG و استفاده از گاز شهري توليد شده به عنوان سوخت اضافي در زباله سوز92
5-6-1) معادلات بالانس انرژي93
5-6-1-1) زباله سوز93
5-6-1-2) مبدل حرارتي شماره 193
5-6-1-3) توربين شماره 193
5-6-1-4) توربين شماره 293
5-6-1-5) مبدل حرارتي شماره 293
5-6-1-6) پمپ شماره 193
5-6-1-7) پمپ شماره 294
5-6-1-8) گاز شهري94
5-6-1-9) بالانس انرژي کلي94
5-6-1-10) راندمان انرژي94
5-6-2) معادلات بالانس اگزرژي94
5-6-2-1) اگزرژي هوا94
5-6-2-2) اگزرژي مخلوط آمونياکي95
5-6-2-3) اگزرژي ورودي به چرخه95
5-6-2-4) اگزرژي خروجي از چرخه95
5-6-2-5) بالانس اگزرژي کلي95
5-6-2-6) راندمان اگزرژي95
5-7) تحليل حساسيت102
5-7-1) تحليل نمودارهاي اگزرژي و انرژي در حالت تغيير دماي جريان شماره 1104
5-7-2) تحليل نمودارهاي اگزرژي و انرژي در حالت تغيير فشار جريان شماره 7106
5-7-3) تحليل نمودارهاي اگزرژي و انرژي در حالت تغيير فشار جريان شماره 8108
فصل 6: نتيجه گيري109
6-1) پيشنهادها110
فهرست شکلها
شکل (1-1) رابطه بين فاکتور دماي اگزرژي و نسبت دماي مطلق……………………………………………………………………20
شکل (2-1) نمودار تغييرات بازده توليد همزمان بر حسب نسبت توان به گرما………………………………………………..38
شکل (3-1) نحوه وارد کردن اطلاعات در برنامه در حالت معلوم بودن ترکيب فيزيکي زباله……………………………58
شکل (3-2) نحوه نمايش نتايج محاسبات در حالت معلوم بودن ترکيب فيزيکي زباله……………………………………..58
شکل (3-3) نحوه وارد کردن اطلاعات در برنامه در حالت معلوم بودن ترکيب شيميايي زباله…………………………59
شکل (3-4) نحوه نمايش نتايج محاسبات در حالت معلوم بودن ترکيب شيميايي زباله…………………………………..60
شکل (4-1) هزينههاي انتقال گاز طبيعي بر حسب نوع انتقال…………………………………………………………………………62
شکل(4-2) ترمينال LNG جزيره کنوي انگلستان، اولين در دنيا………………………………………………………………………64
شکل(4-3) ترکيبات گاز طبيعي………………………………………………………………………………………………………………………….66
شکل(4-4) ترکيبات LNG ……………………………………………………………………………………………………………………………….66
شکل(4-5) زنجيره ارزشي LNG ……………………………………………………………………………………………………………………….67
شکل(4-6) يک کشتي حمل LNG ……………………………………………………………………………………………………………………69
شکل (5-1) چرخه توان رايج (چرخه شماره 1) با استفاده از زباله سوز…………………………………………………………….83
شکل (5-2) شبيه سازي چرخه توان رايج (چرخه شماره 1) در نرم افزار HYSIS …………………………………………84
شکل (5-3) چرخه توان ترکيبي با استفاده از زباله سوز (چرخه شماره 2) به همراه بازيابي انرژي سرد LNG..88
شکل (5-4) شبيه سازي چرخه توان ترکيبي با استفاده از زباله سوز (چرخه شماره 2) به همراه بازيابي انرژي سرد LNG در نرم افزار HYSIS………………………………………………………………………………………………………………………………….89
شکل (5-5) چرخه توان ترکيبي با استفاده از زباله سوز (چرخه شماره 3) به همراه بازيابي انرژي سرد LNG و استفاده از گاز شهري توليد شده به عنوان سوخت اضافي در زباله سوز…………………………………………………………92
شکل (5-6) شبيه سازي چرخه توان ترکيبي با استفاده از زباله سوز (چرخه شماره 3) به همراه بازيابي انرژي سرد LNG و استفاده از گاز شهري توليد شده به عنوان سوخت اضافي در زباله سوز………………………………………………98
شکل (5-7) مقايسه راندمانهاي انرژي و اگزرژي چرخههاي شماره 1، 2 و 3………………………………………………101
شکل (5-8) تاثير دماي بر راندمان حرارتي چرخه شماره 3…………………………………………………………………..103
شکل (5-9) تاثير دماي بر راندمان اگزرژي چرخه شماره 3…………………………………………………………………..103
شکل (5-10) تاثير فشار بر راندمان حرارتي چرخه شماره 3…………………………………………………………………105
شکل (5-11) تاثير فشار بر راندمان اگزرژي چرخه شماره 3…………………………………………………………………105
شکل (5-12) تاثير فشار بر راندمان حرارتي چرخه شماره 3…………………………………………………………………107
شکل (5-13) تاثير فشار بر راندمان اگزرژي چرخه شماره 3…………………………………………………………………107
فهرست جداول
جدول (1-1) مقايسه مفهوم انرژي و اگزرژي……………………………………………………………………………………………………12
جدول (1-2) يکي از انواع مدلهاي محيط مرجع…………………………………………………………………………………………….23
جدول (3-1) حدود ارزش گرمايي و رطوبت اجزاي زباله در حالت طبيعي و مرطوب……………………………………..47
جدول (3-2) رطوبت و عناصر شيميايي اجزاي موجود در زباله……………………………………………………………………….48
جدول (3-3) ترکيب اجزاي زباله مورد استفاده در زباله سوز چرخه مورد بررسي بر حسب مواد شيميايي مجزا…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………..51
جدول (5-1) راندمانهاي انرژي و اگزرژي چرخه شماره 1…………………………………………………………………………….87
جدول (5-2) راندمانهاي انرژي و اگزرژي چرخه شماره 2…………………………………………………………………………….91
جدول (5-3) راندمانهاي انرژي و اگزرژي چرخه شماره 3…………………………………………………………………………..100
فهرست علائم و اختصارات
حروف لاتين
اگزرژيe or Ex exergy (kJ/kg)آنتالپي h enthalpy (kJ/kg)آنتروپي s entropy (kJ/kgK)مبدل حرارتيHX heat exchangerکمترين ارزش حرارتيLHV Lower Heating Value (kJ/kg)بيشترين ارزش حرارتيHHV Higher Heating Value (kJ/kg)ارزش حرارتي کليGHV Gross Heating Value (kJ/kg)دبي جرمي جريان mass flow rate (kg/s)فشارP pressure (kPa)نرخ انتقال حرارتQ heat transfer rate (kW)کارW work (kW)دماT temperature (K)راندمان efficiencyگاز طبيعي مايعLNG Liquid Natural Gasگاز مايع پتروشيمياييLPG Liquid Petroleum Gas گاز طبيعي فشردهCNG Compressed Natural Gasميعانات گاز طبيعيNGLs Natural Gas Liquidsتبديل گاز به مايعGTL Gas to Liquidتوليد ترکيبي کار و حرارتCHP Combined Heat & Powerدماي شعله تئوريTFT Theoric Flame Temperatureبدون رطوبتMF Moisture Freeبدون رطوبت و خاکسترMAF Moisture and Ash Free
زير نويسها
گرماي ويژهCp specific heat (kJ/kgK)هواA airگاز شهريCG city gasگرماييth thermalزبالهG garbageزباله سوزINC incineratorچرخه گاز طبيعي مايع شدهL LNG cycleچرخه محلول آمونياکيN NH3/H2O cycleتوربين شماره 1TN1 turbine 1توربين شماره 2TN2 turbine 2پمپ شماره 1P1 pump 1پمپ شماره 2P2 pump 2نقطه مرجع (محيط)O reference (ambient)گاز طبيعيN.G natural gasدماي مرزborder temperature وروديin خروجيout تلفاتloss محيطamb ambientخالصnet افزوده شدهexcess متانCH4 توليد همزمان COGEN سوختFUELتوليد شدهGENتوانPOWERمجموعه نيروگاهيSITEبويلرBOILERگرمکن احتراقيFIRE HEATERبخارSREAMآب تغذيه بويلرBFW Boiler Feed Waterنسبت توان به گرماR
فصل 1: مقدمهاي بر آناليز انرژي و اگزرژي
مقدمه
آناليز اگزرژي يک روش آناليز ترموديناميکي است که بر اساس قانون دوم ترموديناميک بوده و به صورت بسيار معنا دار و منطقي يک روش ثانوي و روشنگرانه جهت ارزيابي و مقايسه فرآيندها و سيستمها ارائه ميکند. به ويژه آناليز اگزرژي منجر به ارائه راندمانهايي ميشود که مقياس درستي از اينکه چگونه عملکرد واقعي به عملکرد ايدهآل نزديک ميشود، ارائه ميکند و همچنين نسبت به آناليز انرژي، دلايل و مکانهاي افتهاي ترموديناميکي را به صورت بسيار شفافتر بيان ميکند. بنابراين آناليز اگزرژي ميتواند به بهبود و بهينه سازي طراحها کمک کند.
در سالهاي اخير شاهد افزايش کاربرد و درک سودمندي روش آناليز اگزرژي توسط صنعتگران، دولتها و دانشگاهيان بودهايم. همچنين روش آناليز اگزرژي به سرعت در حال جهاني شدن است و اميد است با به کار گيري اين روش، از منابع انرژي موجود حداکثر بهره برداري صورت گيرد.
1-1) چرا آناليز انرژي و اگزرژي؟
ترموديناميک به توصيف رفتار، عملکرد و راندمان سيستمها در حيطه تبديل انرژي از يک حالت به حالت ديگر ميپردازد. آناليز ترموديناميکي رايج در وحله اول بر اساس قانون اول ترموديناميک است که قانون بقاي انرژي را بيان ميکند. آناليز انرژي يک سيستم تبديل انرژي اساساً برآورد انرژيهاي ورودي و خروجي از سيستم است. انرژي خروجي از سيستم به دو بخش محصولات و تلفات شکسته ميشود. راندمانها اغلب به صورت نسبت کميتهاي انرژي سنجيده ميشوند، و اغلب به منظور ارزيابي و مقايسه سيستمهاي مختلف به کار ميروند. براي مثال نيروگاهها، گرمکنندهها و يخچالها اغلب بر اساس راندمانهاي انرژي يا مقياسهاي مطلوبيت انرژي مقايسه ميشوند.
به هر حال، راندمانهاي انرژي اغلب منجر به گمراهي نيز ميشوند. زيرا آنها هميشه معياري از چگونگي نزديکي عملکرد سيستم به عملکرد حالت ايدهآل سيستم را ارائه نميدهند. علاوه بر اين، تلفات ترموديناميکي که درون يک سيستم به وجود ميآيند (يعني فاکتورهايي که باعث انحراف عملکرد سيستم از حالت ايدهآل ميشوند)، اغلب به صورت صحيح همراه آناليز انرژي تعيين و ارزيابي نميشوند. نتايج آناليز انرژي ميتوانند نشان دهند که ناکارآييهاي عمده درون بخشهاي اشتباه سيستم وجود داشته و همچنين بيان راندمان تکنولوژکي، از آنچه به واقع وجود دارد متفاوت است.
آناليز اگزرژي بسياري از نقايص آناليز انرژي را از بين ميبرد. آناليز اگزرژي بر اساس قانون دوم ترموديناميک است و جهت تعيين علل، موقعيت و بزرگي ناکارآيي فرآيندها بسيار مفيد است. اگزرژي موجود در مقدار مشخصي انرژي در واقع برآوردي کمي از ميزان مفيد بودن آن انرژي يا به تعبيري کيفيت آن انرژي است. آناليز اگزرژي تصديق ميکند که اگرچه انرژي نميتواند توليد و يا نابود شود، اما از کيفيت آن ميتواند کاسته شود و در نهايت ميتواند به حالتي برسد که در آن در حالت تعادل کامل با محيط بوده و از اينرو قادر به انجام کار نخواهد بود.
براي مثال، در مورد سيستمهاي ذخيرهسازي انرژي، با استفاده از آناليز اگزرژي قادر هستيم پتانسيل ماکزيمم موجود در انرژي ورودي به سيستم را تعيين کنيم. تنها چنانچه انرژي دستخوش فرآيندهاي برگشتپذير باشد، اين ماکزيمم پتانسيل حفظ شده و قابل بازيابي خواهد بود. در دنياي واقعي و به دليل برگشت ناپذير بودن هميشگي فرآيندها، به هنگام بازيابي اين پتانسيل با تلفات روبرو خواهيم بود.

جريان اگزرژي يک ماده در حال جريان زماني بيشينه است که کار حاصل از آن هنگامي بدست آيد که فرآيند به صورت برگشت پذير به حالت محيط برسد و تبادل جرم و حرارت تنها با محيط صورت گيرد. در اصل، آناليز اگزرژي بيان ميکند که محدوديتهاي تئوريکي که در سيستم وجود دارد، آشکارا بيانگر اين است که هيچ سيستم واقعي نميتواند همه اگزرژي را حفظ نموده و تنها بخشي از اگزرژي ورودي به سيستم قابل بازيابي است. همچنين آناليز اگزرژي محدوديتهاي عملي را از طريق ارائه تلفات به صورتي که مقياس مستقيمي از تلفات اگزرژي است، به شکل کمي مشخص ميکند.
اصطلاح اگزرژي اغلب با عناويني نظير انرژي در دسترس، قابليت استفاده، قابليت انجام کار و … نيز به کار برده ميشود. مصرف اگزرژي نيز اغلب بازگشت ناپذيري، کار تلف شده، اتلاف و … ناميده ميشود. نامگذاري ترمهاي اگزرژي منطبق بر نامگذاري تحليل اگزرژي استاندارد کتاس1 و همکاران او در سال 1987 ميباشد] 1[.
جدول (1-1): مقايسه مفهوم انرژي و اگزرژي
انرژياگزرژيفقط وابسته به خواص ماده يا جريان انرژي بوده و مستقل از محيط است.وابسته به خواص ماده، جريان انرژي و محيط است.وقتي با محيط در تعادل است مقاديري غير از صفر ميتواند داشته باشد.وقتي که در حالت مرده (تعادل با محيط) قرار دارد مقدار آن صفر است.با توجه به قانون اول ترموديناميک اصل بقا دارد. (اصل بقاي انرژي)فقط براي فرآيندهاي برگشت پذير اصل بقا دارد و براي فرآيندهاي برگشت ناپذير اصل بقا ندارد.به هيچ عنوان نابود يا خلق نميشود.براي فرآيندهاي برگشت پذير نابود يا خلق نميشود ولي براي فرآيندهاي برگشت ناپذير نابود ميشود.به صورت هاي مختلف (جنبشي، پتانسيل، کار و غيره) وجود دارد و به همان گونه نيز اندازه گيري ميشود.به صورت هاي مختلف وجود دارد و بر مبناي کار و يا قابليت توليد کار تعريف ميگردد.مقياسي براي کميت است.مقياسي هم براي کيفيت و هم کميت 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، انرژي و آنتروپي
بالانس کلي يک کميت در يک سيستم را ميتوان به صورت زير نوشت:
(1-1)ورودي و خروجي به ترتيب به کميتهاي وارد شده و خارج شده از مرزهاي سيستم اشاره دارند. توليد و اتلاف نيز به ترتيب به کميتهاي توليد شده و تلف شده (از بين رفته) در سيستم اشاره دارند. انباشتگي به افزودن (منفي يا مثبت) يک کميت در درون سيستم اشاره ميکند.
بالانس کلي بالا را ميتوان براي کميتهاي جرم، انرژي، آنتروپي و اگزرژي نوشت. جرم و انرژي، بر اساس قوانين پايستگي (صرف نظر از واکنشهاي هستهاي) نه به وجود ميآيند و نه از بين ميروند. و لذا بالانس کلي بالا براي هر کدام از اين کميتها به صورت زير نوشته ميشود:
(1-2)
(1-3)قبل از نوشتن معادله بالانس براي اگزرژي، بهتر است که اين کار را براي آنتروپي انجام دهيم:
(1-4)به واسطه وجود بازگشت ناپذيريها در طول فرآيند، آنتروپي به وجود ميآيد اما از بين نميرود. اين معادلات بالانس نشان ميدهند که در يک بازه زماني در يک سيستم چه اتفاقي ميافتد. در يک فرآيند چرخهاي کامل که حالتهاي ابتدايي و نهايي سيستم يکسان است، ترم انباشتگي در همه معادلات بالانس صفر خواهد بود.
1-3) معادلات دقيق بالانس
در حالت کلي دو نوع سيستم در نظر ميگيريم: سيستم باز (جريان دار) و سيستم بسته (بدون جريان). در حالت کلي سيستمهاي باز داراي بر هم کنشهاي جرم، حرارت و کار ميباشند در حالي که سيستمهاي بسته داراي بر هم کنشهاي کار و حرارت ميباشند. ورورد جريان جرم و انتقال حرارت به سيستم و گرفتن کار از سيستم را معمولا مثبت تعريف ميکنيم.
يک فرآيند جريان ناپايدار را در بازه زماني تا در نظر بگيريد. معادلات بالانس جرم، انرژي و آنتروپي را ميتوان به ترتيب به صورت زير نوشت:
(1-5)(1-6)(1-7)در اين روابط و به ترتيب مقادير جرم وارد شده به سيستم از ورودي و جرم خارج شده از سيستم از خروجي را نشان ميدهند. مقدار حرارت وارد شده به حجم کنترل از طريق ناحيه واقع بر سطح کنترل را نشان ميدهد. مقدار کار خارج شده از سطح کنترل است.
مقدار آنتروپي توليد شده در حجم کنترل است (همچنين به صورت نيز نشان داده ميشود). و و به ترتيب مقادير جرم، انرژي و آنتروپي موجود در حجم کنترل در لحظه را نشان ميدهند. همچنين و و نيز به ترتيب مقادير جرم، انرژي و آنتروپي موجود در حجم کنترل در لحظه را نشان ميدهند. و به ترتيب نمايانگر انرژي مخصوص، آنتروپي مخصوص، فشار مطلق، دماي مطلق و حجم مخصوص ميباشند. کار کل انجام شده توسط سيستم ، شامل کار جريان نبوده و آن را ميتوان به صورت زير نوشت:
(1-8)در رابطه فوق کار انجام شده توسط سيستم به واسطه تغيير حجم است و کار محوري انجام شده توسط سيستم است. ترم کار محوري شامل تمامي حالتهاي کار ميشود که ميتواند جرمي را از روي زمين بلند کند ( مانند کار مکانيکي، کار الکتريکي و …) اما کار انجام شده توسط سيستم به واسطه تغيير حجم را در بر نميگيرد.
انرژي مخصوص به صورت زير نشان داده ميشود:
(1-9)
در اين رابطه به ترتيب بيانگر انرژي داخلي مخصوص، انرژي جنبشي و انرژي پتانسيل ميباشند. در يک فرآيند بازگشت ناپذير و در يک فرآيند بازگشت پذير است.
براي جريان جرمي که از ورودي (خروجي) عبور ميکند، رابطه زير برقرار است:
(1-10)در اين رابطه چگالي جرم عبوري از المان سطحي روي سطح کنترل و در بازه زماني تا است و مولفه سرعت جريان جرم عمود بر المان سطحي است. در جريان يک بعدي (جرياني که در آن سرعت و ديگر ويژگيهاي شدتي در موقعيتهاي مختلف نسبت به مقطع تغيير نميکنند)، معادله فوق به صورت زير خواهد بود:
(1-11)پيش از اين فرض شده بود که انتقال حرارت در نواحي مجزا روي سطح کنترل رخ دهد و دماي هر ناحيه ثابت باشد. چنانچه دما در ناحيه انتقال حرارتي تغيير کند:
(1-12)(1-13)در روابط فوق دماي نقطهاي روي سطح کنترل است که شار حرارتي در آنجا است. همچنين در اين روابط انتگرال گيري بر روي سطح جانبي ناحيه انجام گرفته است.
کميتهاي جرم، انرژي و آنتروپي موجود در حجم کنترل به صورت زير تعريف ميشوند:
(1-14)(1-15)(1-16)انتگرالهاي فوق بر روي حجم کنترل محاسبه ميشوند.
در يک سيستم بسته معادلات (5-3) تا (7-3) به صورت زير نوشته ميشوند:
(1-17)(1-18)(1-19)
1-4) اگزرژي سيستم بسته
اگزرژي يک سيستم بسته با جرم را ميتوان به صورت زير نوشت:
(1-20)ترمهاي رابطه فوق به صورت زير ميباشند:
(1-21)(1-22)(1-23)(1-24)در اين روابط سيستم داراي دماي، فشار ، پتانسيل شيميايي براي انواع ، آنتروپي ، انرژي ، حجم و تعداد مول براي انواع است. سيستم در محيطي فرضي قرار دارد که آن محيط در حالت تعادل قرار داشته و خواص شدتي آن عبارتند از: .
کميت نشانگر مقدار در حالت محيطي است (يعني در شرايط ). ترمهاي موجود در سمت راست معادله (1-20) به ترتيب نمايانگر اگزرژي فيزيکي، اگزرژي شيميايي، اگزرژي سينتيک و اگزرژي پتانسيل يک سيستم غير جرياني ميباشند.
اگزرژي خاصيتي از سيستم و محيط اطراف آن است که خواص شدتي و مقداري سيستم را با خواص شدتي محيط در هم ميآميزد.
اگزرژي فيزيکي يک سيستم بسته بيشترين کار قابل حصول از سيستم است که در حالتي بدست آمده است که فرآيند به حالت تعادل مکانيکي و گرمايي با محيط رسيده است و اگزرژي شيميايي يک سيستم بسته بيشترين کار قابل حصول از سيستم است در حالي که فرآيند از حالت محيط به حالت مرده برسد (يعني تعادل کامل با محيط).
1-5) اگزرژي جريانها
1-5-1) اگزرژي جريان يک ماده
اگزرژي جريان يک ماده مجموع اگزرژي غير جرياني ماده به همراه کار جريان ماده است (نسبت به نقطه مرجع )، يعني:
(1-25)با جايگزيني از روابط مربوط به اگزرژي سيستم بسته بدست ميآوريم:
(1-26)(1-27)(1-28)(1-29)(1-30)
1-5-2) اگزرژي انرژي گرمايي
يک جرم کنترل را در نظر بگيريد که ابتدا در حالت مرده قرار دارد و در يک واکنش شيميايي با يک سيستم ديگر و در حجم ثابت شروع به گرم شدن يا سرد شدن ميکند. حرارت جذب شده توسط جرم کنترل را ميناميم. چنانچه جريان اگزرژي همراه با حرارت منتقل شده را توسط نشان دهيم خواهيم داشت:
(1-31)در اين رابطه انتقال حرارت افزايشي است و انتگرال گيري از حالت اوليه تا حالت نهايي انجام ميشود. اين اگزرژي گرمايي معادل حداقل کار مورد نياز سيستم ترکيبي جرم کنترل و محيط است و به منظور تغيير حالت جرم کنترل از حالت مرده به حالت نهايي مورد نياز است. اغلب کميت بدون بعد درون پرانتز عبارت فوق را فاکتور دماي اگزرژي2 مينامند و با نشان ميدهند:
(1-32)رابطه بين و نسبت دمايي در شکل (1-1) نشان داده شده است.
چنانچه دماي جرم کنترل ثابت باشد، اگزرژي گرمايي منتقل شده همراه با انتقال حرارت به صورت زير نوشته ميشود:
(1-33)در حالتي که انتقال حرارت در ناحيه روي سطح کنترل رخ دهد و در اين ناحيه تغيير دما نيز داشته باشيم:
(1-34)در اين رابطه جريان حرارت بر واحد سطح را در ناحيهاي بر روي سطح کنترل نشان ميدهد که دماي آن است.
1-5-3) اگزرژي کار
معادله (1-8) کار کل را به دو مولفه و تجزيه ميکند. اگزرژي همراه با کار محوري توسط تعريف ميشود.
انتقال اگزرژي همراه با کار انجام شده به واسطه تغيير حجم توسط سيستم، کار خالص قابل استفاده به واسطه تغيير حجم بوده و توسط نشان داده ميشود. لذا براي يک فرآيند در بازه زماني تا داريم:
(1-35)در اين رابطه کار انجام شده توسط سيستم به دليل تغيير حجم است. ترم کار جابجايي لازم جهت تغيير حجم در برابر فشار ثابت اعمال شده از محيط است.
شکل (1-1): رابطه بين فاکتور دماي اگزرژي و نسبت دماي مطلق
1-5-4) اگزرژي الکتريکي
همانند کار محوري اگزرژي همراه با الکتريسيته معادل انرژي است.
1-6) اتلاف اگزرژي
در يک فرآيند که در يک سيستم رخ ميدهد، اختلاف بين اگزرژي کل ورودي به سيستم و اگزرژي کل خروجي از آن منهاي انباشتگي اگزرژي در سيستم، اتلاف اگزرژي ناميده ميشود و به صورت زير بيان ميشود:
(1-36) معادله فوق بيان ميکند که اتلاف اگزرژي متناسب با توليد آنتروپي است و اين رابطه به عنوان رابطه گوي-استودولا3 شناخته ميشود.
1-7) بالانس اگزرژي
از ترکيب قانون پايستگي انرژي و قانون عدم پايستگي آنتروپي، بالانس اگزرژي را ميتوان به صورت زير نوشت:
(1-37)اتلاف (مصرف) اگزرژي به دليل بازگشت ناپذيريها است. اتلاف اگزرژي متناسب با توليد آنتروپي است. معادلات (1-3) و (1-37) يک تفاوت اساسي بين انرژي و اگزرژي را بيان ميکنند و آن اين است که انرژي پايسته است در حالي که اگزرژي (ميزان کيفيت يا پتانسيل انجام کار انرژي) ميتواند اتلاف داشته باشد.
معادلات بالانس مشابهي همانند معادلات (1-5) تا (1-7) را ميتوان براي اگزرژي نيز به کار برد. با استفاده از تعبير فيزيکي معادله (1-37)، براي يک فرآيند غير دائم و در خلال بازه زماني تا خواهيم داشت:
(1-38)در معادله فوق ترم توسط معادله (35-3) تعريف ميشود. همچنين:
(1-39)(1-40)(1-41)در روابط فوق و به ترتيب اتلاف اگزرژي و توليد آنتروپي را نشان ميدهند. بيانگر اگزرژي و انتگرال روي حجم کنترل محاسبه شده است. دو ترم اول سمت چپ معادله (1-38) نشانگر اگزرژي خالص ورودي همراه با جرم هستند و ترم سوم اگزرژي خالص ورودي همراه با حرارت را نشان ميدهد، ترم چهارم و پنجم معرف اگزرژي خالص ورودي همراه با کار بوده و ترم ششم اتلاف اگزرژي را نشان ميدهد. سمت راست معادله (1-38) معرف انباشتگي اگزرژي ميباشد. براي يک سيستم بسته معادله (1-38) به معادله زير ساده ميشود:
(1-42)چنانچه حجم ثابت باشد خواهد بود. همچنين هنگامي که حالتهاي ابتدايي و انتهايي يکسان هستند (مثلاً در يک چرخه کامل)، سمت راست معادلات (1-38) و (1-42) صفر ميشود.
1-8) محيط مرجع
اگزرژي نسبت به يک محيط مرجع سنجيده ميشود، از اينرو خواص شدتي محيط مرجع اگزرژي جريان يا سيستم را تعيين ميکنند.
1-8-1) مشخصات تئوري محيط مرجع
محيط مرجع با تمامي اجزاي آن در تعادل پايدار قرار دارد. همچنين بين اجزاي محيط واکنشهاي شيميايي وجود ندارد. محيط مرجع همانند يک سيستم بينهايت رفتار ميکند و براي حرارت و ماده نقش چشمه و چاه را ايفا ميکند. محيط مرجع تنها فرآيندهاي بازگشت پذير داخلي را تجربه ميکند که در آنها خواص شدتي محيط بدون تغيير باقي ميمانند (يعني ، و پتانسيل شيميايي هر مولفه ثابت باقي ميمانند. اگزرژي محيط مرجع صفر است. اگزرژي يک جريان يا يک سيستم در تعادل با محيط مرجع نيز صفر است.
محيط طبيعي داراي خواص تئوريکي محيط مرجع نميباشد. محيط طبيعي در حالت تعادل قرار ندارد و خواص شدتي آن داراي تغييرات مکاني و زماني ميباشند. اگزرژي محيط طبيعي صفر نيست و چنانچه محيط طبيعي به حالت تعادل برود ميتوان از آن کار دريافت کرد. بنابراين مدلهاي محيط مرجع را مورد استفاده قرار ميدهيم تا بتوانيم سازگاريهاي لازم بين نيازمنديهاي تئوريکي محيط مرجع و رفتار واقعي محيط طبيعي را بدست آوريم.
1-8-2) مدلهاي محيط مرجع
در زير چندين مدل محيط مرجع را مورد بررسي قرار ميدهيم:
* مدلهاي زير سيستمي محيط طبيعي: يکي از دستههاي مهم مدلهاي محيط طبيعي، مدل زير سيستمي محيط طبيعي است. اين مدلها در تلاشاند تا زير سيستمهاي واقعي محيط طبيعي را شبيه سازي کنند. جدول (1-2) يکي از مدلهاي زير سيستمي را نشان ميدهد.
جدول (1-2): يکي از انواع مدلهاي محيط مرجع
* مدلهاي ماده مرجع: در اين مدل يک ماده مرجع انتخاب ميشود و و براي هر المان شيميايي آن اگزرژي صفر در نظر گرفته ميشود.
* مدلهاي تعادلي: مدلي که در آن تمامي مواد موجود در اتمسفر، اقيانوسها و پوسته زمين با يکديگر ادغام ميشوند و ترکيب تعادلي در يک دماي مشخص تعيين ميشود. اين مدل توسط آرنتز4 در سال 1980 ارائه شده است.
* مدلهاي تعادلي محدود: آرنتز در سال 1980، مدل اصلاح شدهاي از مدل تعادلي خود را ارائه نمود که در آن محاسبه ترکيب تعادلي بدون در نظر گرفتن احتمال تشکيل اسيد نيتريک () انجام شده است.
* مدلهاي مستقل فرآيندي: اين مدل تنها مولفههايي را در بر ميگيرد که در فرآيند مورد آزمايش که در ترکيب تعادلي پايدار و در دما و فشار کل محيط طبيعي انجام شده است سهيم باشند. اين مدل توسط بوسنجاکوويچ5 در سال 1963 ارائه شده است.
1-9) راندمانها و ديگر مقياسهاي مورد اهميت
هميشه در تصميمگيري راجع به بهرهوري منابع، راندمان از اهميت بالايي برخوردار است. راندمان به صورت توانايي توليد يک اثر مطلوب، بدون اتلاف و يا حداقل استفاده از انرژي، زمان، منابع و … تعريف ميشود و نشانگر ميزان نزديکي به حالت ايده آل در انجام يک فرآيند است.
براي تعيين راندمان در اغلب سيستمهاي مهندسي از نسبتهاي بي بعد کميتها استفاده ميشود. از نسبتهاي انرژي معمولاً براي تعيين راندمانهاي سيستمهاي مهندسي که هدف اوليه آنها تبديل انرژي است استفاده ميشود. اين راندمانها بر اساس قانون اول ترموديناميک ميباشند. مطابق با قانون اول ترموديناميک چنانچه در يک فرآيند ميزان انرژي ورودي معادل انرژي قابل بازيافت خروجي باشد (يعني اتلاف انرژي وجود ندارد)، راندمان ماکزيمم است. با اين وجود راندمانهاي انرژي اغلب ما را به اشتباه مياندازند زيرا اين راندمانها مقياس مناسبي از نزديکي به حالت ايدهآل نيستند.
براي تعيين راندمانهاي معنيدارتر، کميتي نياز است که نسبتهاي آن مقياس درستتري از نزديکي به حالت ايدهآل ارائه دهند. بنابراين ميبايست از قانون دوم ترموديناميک استفاده کنيم. قانون دوم ترموديناميک بيان ميکند که بيشترين راندمان مربوط به فرآيند برگشت پذير است. بنابراين بايد قانون دوم را به صورت کمي ارائه کنيم تا راندمانها قابل تعريف باشند.
اصل افزايش آنتروپي، که بيانگر توليد آنتروپي به واسطه بازگشت ناپذيريها است، قانون دوم ترموديناميک را کمي ميکند. از نقطه نظر آنتروپي، راندمان فرآيندي ماکزيمم است که در آن فرآيند آنتروپي پايسته باشد. در فرآيندهاي غير ايدهآل آنتروپي توليد ميشود. مقدار توليد آنتروپي معياري از غير ايدهآل بودن يا بازگشت ناپذيري فرآيند است. در حالت کلي نسبتهاي آنتروپي معياري از ميزان نزديکي فرآيند به حالت ايدهآل ارائه نميکنند.
با توجه به قانون دوم ترموديناميک، کميتي که معيار مناسبي از ميزان نزديکي به حالت ايدهآل ارائه ميکند نجنتروپي6 ميباشد. تعريف اين کميت به اين صورت است که اتلاف نجنتروپي به واسطه بازگشت ناپذيريها معادل توليد آنتروپي به واسطه بازگشت ناپذيريها است. در نتيجه اصل افزايش آنتروپي، از نقطه نظر نجنتروپي، راندمان ماکزيمم يک فرآيند وقتي حاصل ميشود که نجنتروپي پايسته باشد. در فرآيندهاي غير ايدهآل نجنتروپي تلف ميشود. به هر حال راندمانهاي کلي را نميتوان بر اساس نجنتروپي تعريف نمود، زيرا مقدار مطلق نجنتروپي تعريف نشده است.
ميتوان از طريق توانايي انجام کار، نجنتروپي را بيشتر کمي کرد. پس راندمان ماکزيمم تنها وقتي قابل حصول است که در پايان فرآيند، مجموع کل انرژيهاي موجود که قابليت انجام کار دارند با مجموع اين انرژيها قبل از انجام فرآيند برابر باشد. اگزرژي معياري از توانايي انجام کار است و از نقطه نظر اگزرژي، راندمان فرآيندي ماکزيمم است که اگزرژي در آن پايستار باشد. راندمانهاي تعريف شده با استفاده از نسبتهاي اگزرژي، معيار مناسبي از نزديکي به حالت ايدهآل ارائه ميکنند. راندمان اگزرژي نسبت به راندمان انرژي بهتر درک ميشود زيرا مقادير آن هميشه بين 0% تا 100% است. مقادير بيشتر از 100% در راندمان انرژي، نظير مقادير ضريب عملکرد يخچالها، با در نظر گرفتن راندمان اگزرژي به مقادير بين 0% تا 100% تبديل ميشوند. در واقع برخي محققان7 راندمانهاي اگزرژي را واقعي و درست مينامند در حالي که راندمانهاي انرژي را تخميني از واقعيت مينامند.
راندمانهاي انرژي () و اگزرژي () براي فرآيندهاي جريان پايدار که در يک سيستم رخ ميدهند، اغلب به صورت زير نوشته ميشوند:
(1-43)(1-44)دو نوع راندمان معمول ديگر که بر اساس اگزرژي ميباشند مطابق زير تعريف ميشوند:
(1-45)(1-46)
در يک فرآيند، راندمان اگزرژي اغلب ديدگاه روشنگرانهتري نسبت به راندمان انرژي ارائه ميکند، زيرا راندمان اگزرژي انرژي جريانها را بر طبق محتوي اگزرژي آنها ميسنجد و همچنين ناکارآمديها را به دو بخش تلفات جريانات خروجي و تلفات ناشي از بازگشت ناپذيريها تقسيم ميکند. در حالت کلي راندمان اگزرژي معياري از پتانسيل بهبود فرآيند را ارائه ميکند.
1-10) فرآيند آناليز انرژي و اگزرژي
يک روش ساده براي انجام آناليز انرژي و اگزرژي شامل مراحل زير ميباشد:
* تقسيم فرآيند مورد نظر به تعداد بخشهاي دلخواه که به عمق جزئيات آناليز بستگي دارد
* انجام بالانس جرم و انرژي بر روي فرآيند، و تعين تمامي کميتهاي اساسي از جمله کار و حرارت، و ويژگيهايي همچون دما و فشار
* انتخاب مدل محيط مرجع بر اساس ماهيت فرآيند، ميزان پيچيدگي و قابل قبول بودن تحليل، و پرسشهايي که براي آنها به دنبال جواب هستيم
* تعيين مقادير انرژي و اگزرژي نسبت به مدل محيط مرجع انتخاب شده
* انجام بالانس اگزرژي و تعيين مقادير اتلافات اگزرژي
* انتخاب تعريف راندمانها بر اساس معيارهاي مورد نظر و تعيين مقادير راندمانها
* تفسير نتايج و ترسيم نتايج و پيشنهادات
1-11) خواص انرژي و اگزرژي
جهت آناليز انرژي و اگزرژي فرآيندها، بسياري از خواص ماده مورد نياز است. خواص بسياري از مواد (مانند بخار، هوا، گازهاي حاصل از احتراق و مواد شيميايي)، در مراجع متعددي وجود دارد.
مقادير انرژي جريانهاي کار و حرارت مطلق ميباشند در حالي که مقادير انرژي جريانهاي جرمي نسبي هستند. آنتالپيها نسبت به يک سطح مبنا سنجيده ميشوند. از آنجائي که آناليز انرژي با اختلاف انرژي سر و کار دارد، سطح مبناي انتخاب شده در محاسبه آنتالپيها ميتواند دلخواه باشد. اما با اين وجود هنگام تعيين برخي راندمانهاي انرژي، آنتالپيها ميبايست نسبت به سطوح مبناي خاصي سنجيده شوند (براي مثال در فرآيندهاي تبديل انرژي، اغلب سطح مبنا به گونهاي انتخاب ميشود که آنتالپي ماده معادل ارزش حرارتي بيشينه آن شود8).
اما چنانچه بخواهيم نتايج آناليزهاي انرژي و اگزرژي را مقايسه کنيم، لازم است که سطوح مبناي محاسبات آنتالپي را به گونهاي تعيين کنيم که آنتالپي يک ماده مرکب نسبت به مولفههاي پايدار محيط مرجع سنجيده شود. بنابراين، ترکيبي که به عنوان مولفه پايدار محيط مرجع وجود دارد، طوري تعريف ميشود که آنتالپي آن در و برابر صفر باشد. آنتالپيهاي محاسبه شده نسبت به چنين شرايطي، آنتالپيهاي پايه ناميده ميشوند9. آنتالپي پايه مشابه آنتالپي تشکيل است.
آنتالپي تشکيل يک ترکيب، آنتالپي آن ترکيب در و است که نسبت به اجزاي سازنده آن در و سنجيده ميشود. آنتالپي پايه يک ترکيب، آنتالپي آن ترکيب در و است که نسبت به مولفههاي پايدار محيط در و سنجيده ميشود. در بسياري از مدلهاي محيط مرجع، آنتالپيهاي پايه مواد سوختي برابر ارزش حرارتي بيشينه آنها است.

1-12) مفاهيم نتايج آناليز اگزرژي
نتايج آناليز اگزرژي فرآيندها و سيستمها مستقيماً بر تصميمگيريهاي کاربردي و مسيرهاي تحقيق و توسعه10 موثر است. علاوه بر اين، آناليز اگزرژي در تعيين بهترين مسيرهاي تحقيق و توسعه، بينش جامعتري نسبت به آناليز انرژي در اختيار قرار ميدهد. دو دليل اصلي براي اين امر وجود دارد:
1. تلفات اگزرژي معرف تلفات واقعي پتانسيل موجود توليد محصول دلخواه از ورودي محرک است. در حالت کلي اين امر براي تلفات انرژي صحيح نيست. بنابراين چنانچه هدف ما افزايش راندمان باشد، تمرکز بر تلفات اگزرژي باعث تمرکز تحقيقات بر کاهش تلفات شده که باعث برآورده شدن هدف خواهد شد.
2. راندمانهاي اگزرژي هميشه بيانگر معيار نزديکي عملکرد سيستم به حالت ايدهآل هستند. اين موضوع در حالت کلي براي راندمانهاي انرژي صحيح نيست. با تمرکز تحقيقات بر آن بخشها يا فرآيندهايي از يک سيستم که کمترين راندمان اگزرژي را دارند، تلاش تحقيقاتي بر بخشهايي متمرکز شده است که ذاتاً بيشترين ظرفيت بهبود راندمان را دارند. به عبارت ديگر با تمرکز بر راندمانهاي انرژي، تلاش تحقيقاتي صرف مواردي ميشود که ظرفيت بالايي براي بهبود ندارند.
نتايج آناليز اگزرژي معمولاً بيان ميکنند که تلاش تحقيقاتي بايد بيشتر بر روي تلفات اگزرژي داخلي متمرکز شود نه تلفات اگزرژي خارجي و نيز تقدم بررسي با فرآيندهايي است که تلفات اگزرژي آنها بيشتر است. اين بيان به اين مفهوم نيست که تلاش تحقيقاتي نبايد بر روي فرآيندهايي با تلفات اگزرژي کمتر انجام شود بلکه اين فرآيندها نيز مهم ميباشند.
در حالت بسيار کليتر، قابل ذکر است که تلاش تحقيقاتي نبايد تنها بر اساس تحليلهاي انرژي و اگزرژي انجام شود. عوامل مهم ديگري نيز بايد در نظر گرفته شوند که از جمله آنها ميتوان از اقتصاد، تاثيرات محيطي، اصول ايمني و پيامدهاي اجتماعي و سياسي نيز نام برد.
فصل 2: مقدمهاي بر توليد همزمان کار و حرارت
مقدمه
توليد همزمان برق و حرارت يک روش صرفهجويي انرژي است که در آن برق و حرارت به صورت همزمان توليد ميشوند. مصرف بيرويه انواع سوخت، ابعاد زيست محيطي و عدم امنيت در تامين منابع انرژي و همچنين گروهي از فاکتورهاي ديگر، عواملي هستند که موجب رشد و توسعه تکنولوژي توليد همزمان در ميان مديران، مهندسان و طراحان شدهاند. سيستمهاي توليد همزمان داراي پتانسيل لازم براي محدوده وسيعي از کابردها ميباشند و بالا بودن راندمان آنها نسبت به سيستمهاي مجزاي توليد قدرت و حرارت کاملاً نمايان است.


پاسخ دهید