در مباحث علوم مهندسی مرتبط با سیستم‌هایی همانند سیستم‌های تهویه مطبوع و یا توربین گازی که بر اساس فرایندها و قوانین ترمودینامیک فعالیت می‌کنند، اگزرژی حداکثر کار مفیدی است که از مقدار مشخصی از انرژی در دسترس و موجود يا از جریانی از مواده حاصل می‌شود. در تحلیل اگزرژی، هدف اساسی تعیین کردن مقدار و محل تولید بازگشت ناپذیری‌ها در طی فرآیندهای متعدد و مختلف سیکل ترمودینامیکی و همچنین عوامل موثر بر تولید اين بازگشت‌ناپذیری‌ها می‌باشد.
دوره آموزش HVAC مجتمع فنی عالی نوین پارسیان
پیل‌های سوختی، انرژی شیمیایی نخیره شده در یک سوخت گازی را به صورت مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند و به این علت که در آن‌ها هیچ نوع احتراقی رخ نمی‌دهد، بسیار کارآمدتر و تمیزتر در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی هستند. از موثرترین ابزارها جهت تولید توان الکتریکی، پیل‌های سوختی اکسید جامد می‌باشند. با استفاده از انرژی حرارتی پیل سوختی اکسید جامد در یک چرخه توربین گاز و بخار می‌توان به یک سیستم هیبرید با عملکرد بالا دست یافت. بخش عمده حرارت خروجی از توربین گازی صرف بالا بردن دمای واکنشگرهای پیل سوختی می‌شود. نتایج تحقیقات و مطالعات در این زمینه نشان می‌دهد که بیشترین میزان تخریب اگزرژی هیبریدی در پیل سوختی و محفظه احتراق به دلیل انجام واکنش‌های شیمیایی رخ می‌دهد. مهم‌ترین عوامل موثر بر اين اگزرژی تخریب شده ضریب مصرف سوخت، ضریب مصرف هوا و نسبت تراکم می‌باشند.
معرفی اگزرژی هیبریدی و تاریخچه آن
رشد روزافزون استفاده از منابع تجدید ناپذیر فسیلی، محدودیت این منابع و مشکلات زیست‌محیطی ناشی از به‌کارگیری آن‌ها، سبب توجه جهانیان به تنوع استفاده از انواع انرژی و بهره‌گیری از منابع جدید انرژی با استفاده از روش‌های پایدار، ایمن و سازگار با محیط زیست شده است. یکی از موارد مهمی که بشر از ابتدا به‌عنوان یک چالش اساسی با آن مواجه بوده است يافتن روش‌های نوین و پربازده تبدیل انرژی سوخت‌ها به انرژی قابل استفاده بوده است. یکی از شیوه‌های اساسی که تکنولوژی آن در دهه اخیر به سرعت توسعه يافته است استفاده از پیل‌های سوختی جهت تأمین هم‌زمان الکتریسیته و حرارت به روش الکتروشیمیایی می‌باشد. پیل سوختی اکسید جامد یکی از انواع مهم پیل‌های سوختی است که دمای کاری بالای آن باعث می‌شود که خروجی آن به عنوان یک منبع انرژی برای راه‌اندازی میکروتوربین گاز و تشکیل یک سیستم ترکیبی استفاده گردد.
اولین تحقیقات
مطالعه تحقیقات گذشته درمورد سیستم‌های هیبریدی نشان می‌دهد که بررسی‌های نظری برروی این سیستم‌های هیبریدی برای اولین بار در سال ۱۹۷۰ میلادی توسط شرکت زیمنس وستینگهاوس صورت گرفت. چان و همکاران تحلیل کاملی از افت‌های ولتاژ درون پیل سوختی اکسید جامد لوله‌ای و حساسیت ولتاژ نسبت به ضخامت اجزای پیل ارائه کردند. در تحقیقات الویی و همکاران اثر نوع سوخت برروی عملکرد پیل سوختی مورد بررسی قرار گرفت. کالیس وهمکاران سیستم هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد و توربین گاز را با استفاده از تحلیل اگزرژی شبیه سازی نموده‌اند. آن‌ها در شبیه سازی خود برای نقطه کارکرد طراحی توربین، توان ۱/۵ مگاوات و بازده ۶۰ درصد گزارش کرده‌اند. مطهرو عالم رجبی به آنالیز اگزرژی هیبریدی پیل سوختی اکسید جامد لوله‌ای و توربین گاز با تزریق بخار پرداختند.
دوره آموزش pms مجتمع فنی آزاد نوین پارسیان
آن‌ها از حرارت گازهای خروجی توربین گاز برای تولید بخار و تزریق آن به محفظه احتراق استفاده کرده‌اند، که باعث افزایش راندمان اگزرژی و راندمان حرارتی به ترتیب به میزان ۱۲/۱۱ در صد و ۱۲/۲ در صد شده است. کلکتور خورشیدی سهموی خطی همواره به عنوان گیرنده تابشی خورشید مورد توجه پژوهشگران بوده است و تحقیقات بسیاری ازلحاظ تئوری و آزمایشگاهی روی انواع مختلف این کلکتور صورت گرفته است.
نتایج مطالعات نو
در سال ۲۰۱۴ ریکاردو و پادیلا و همکاران به بررسی و ارزیابی کلکتورهای سهموی خطی از دیدگاه انرژی و اگزرژی هیبریدی در شدت تشعشع ثابت و مقایسه دو حالت بدون پوشش و باپوشش پرداختند. نتایج حاصل نشان داد که هردو بازده‌های انرژی و اگزرژی هیبریدی در حالت وجود پوشش شیشه‌های بیشتر از بازده در حالت بدون پوشش می‌باشد. هدف از این تحقیق تجزیه و تحلیل سیستم هیبریدی شامل کلکتور خورشیدی، پیل سوختی اکسید جامد، توربین گاز و سیکل بخار می‌باشد. سیستم هیبریدی موردنظر شامل کلکتور خورشیدی، یک پیل سوختی اکسید جامد با بهسازی داخلی، محفظه پس سوز توربین گاز و بخار، کمپرسور هوا، کمپرسور سوخت، پمپ آب، بویلر بازیاب حرارتی و کندانسور است. در اين تحقیق ابتدا یک کلکتور سهموی خطی به‌طور مجزا شبیه سازی سپس نتایج خروجی از کلکتور به عنوان پارامترهای سیستم هیبریدی که شامل پیل سوختی اکسید جامد، توربین گاز و سیکل بخار در نظر گرفته می‌شود. خواص در نقاط مختلف سیستم شناسایی و به دنبال آن اگزرژی تخریبی هر یک از اجزا بدست آورده می‌شود. در ادامه تاثیر پارامترهای مختلف بر روی عملکرد تجهیزاتی که بیشترین نرخ تخریب اگزرژی را داشته‌اند، بررسی می‌شود.
توصیف سیستم شبیه سازی
سیستم شییه سازی شده در این پژوهش متشکل از کلکتور سهموی خطی، پمپ سیرکولاسیون مبدل حرارتی، پیل سوختی اکسید جامد، توربین گاز، بویلر بازیاب حرارتی، توربین بخار، کندانسور، پمپ آب تغنیه (BFP) و پمپ کندانس (CEP) است که در شکل ۱ اجزای سیستم نشان داده شده‌است. سوخت، آب و هوا از فشرده شدن توسط پمپ و کمپرسورها وارد مبدل‌های حرارتی اولیه می‌شوند تا توسط سیال عامل کلکتور پیش گرم شوند سپس وارد مبدل‌های ثانویه شده تا با گاز خروجی توربین گاز به دمای لازم برای ورود به پیل سوختی برسند.
دوره آموزش Aspen plus در مجتمع فنی مهندسی نوین پارسیان
واکنشگرها وارد پیل سوختی می‌شوند و واکنش شیمیایی انجام می‌شود سپس محصولات به همراه بخشی از واکنشگرها که هنوز باقی مانده وارد محفظه پس سوز می‌شوند تا بطور کامل واکنش انجام گیرد و دمای محصولات بالا رود. محصولات برای انجام کار وارد توربین گازی می‌شوند و پس از انجام کار برای گرمایش ورودی‌های پیل سوختی وارد مبدل‌های ثانویه می‌شوند. محصولات پس از آن وارد سیستم تولید بخار برای راه اندازی توربین بخار می‌شوند و سپس به محیط وارد می‌شوند.
نتایج
پیل‌های سوختی با توجه به دمای کارکرد بالا به دمای ورودی بالایی برای بازده بالا نیاز دارند که در مطالعات صورت گرفته معمولا از دمای خروجی از پیل سوختی یا خروجی توربین گاز برای گرم کردن هوا و سوخت استفاده می‌کنند. اين امر باعث کاهش بازده پیل سوختی و همچنین کاهش دمای خروجی از پیش‌گرم‌کن‌های پیل سوختی می‌شود. در اين تحقیق برای پیش گرم کردن، از کلکتور سهموی هم استفاده شده است که با توجه به دمای کارکرد بالا این کلکتور بخشی از نیاز پیل سوختی تامین می‌شود.
معرفی کامل دوره های آموزشی مهندسی فرایند در نوین پارسیان
از طرفی باعث افزایش دمای محصولات احتراق ورودی به محیط شده که با آن می‌توان یک سیکل بخار را برای تولید توان راه‌اندازی کرد و به بازدهی بالاتری دست یافت. سیکل ترکیبی مورد نظر به لحاظ اگزرژی مورد بررسی قرار گرفته تا اجزا با تخریب اگزرژی بالا شناخته شوند و تاثیر پارامترهای مهم بر میزان تخریب اگزرژی مشخص گردد. شکل ۲ اگزرژی تخریبی در اجزا مختلف سیستم هیبریدی را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود بیشترین اگزرژی تخریبی مربوط به پیل سوختی اکسید جامد و سپس محفظه احتراق است که این امر به دلیل واکنش‌های شیمیایی در این بخش‌ها است.
عوامل تاثیرگذار بر نتایج
عوامل موثر بر اگزرژی تخریبی پیل سوختی، ضریب مصرف سوخت، ضریب مصرف هوا و نسبت تراکم می‌باشند که در زیر مورد بررسی قرار گرفته اند. در شکل ۳ تاثیر ضریب مصرف سوخت بر اگزرژی تخریبی پیل سوختی و محفظه احتراق نشان داده شده است. نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که قسمت عمده تخریب اگزرژی در اجزایی از سیستم هیبریدی اتفاق می‌افتد که در آن‌ها واکنش شیمیایی یا واکنش الکتروشیمیایی رخ می‌دهد. تخریب اگزرژی در پیل سوختی اکسید جامد و تخریب اگزرژی در محفظه احتراق از طریق دبی و دمای محصولات خروجی از پیل سوختی به یکدیگر وابسته می‌باشند. از جمله پارامترهایی که بر روی محصولات پیل سوختی تاثیر می‌گذارد ضریب مصرف سوخت می‌باشند ضریب مصرف سوخت بالا بدان معنی است که بسیاری از واکنش‌های شیمیایی درون پیل سوختی رخ می‌دهد و مقدار بسیار اندکی از سوخت و منواکسید کربن وارد محفظه احتراق می‌شود. در نتیجه با افزایش ضریب مصرف سوخت بر اگزرژی تخریبی پیل سوختی اکسید جامد افزوده و از اگزرژی تخریبی در محفظه احتراق کاسته می‌شود.
دوره‌های مختلف از آموزش autocad در مجتمع فنی و مهندسی نوین پارسیان
با افزایش ضریب مصرف هوا دبی هوای ورودی به سیستم کاهش می‌یابد، در نتیجه باعث افزایش دمای عملکرد پیل سوختی می‌شود. همانطور که اشاره شد واکنش دگرگونی آب و گاز یک واکنش گرماده می‌باشد. همانطور که مشاهده می‌شود در واکنش گرماده با افزایش دما ثابت تعادل واکنش کاهش می‌یابد. در نتیجه نرخ مولی پیشرفت واکنش دگرگونی آب و گاز کاهش می‌یابد. با کاهش نرخ مولی پیشرفت واکنش دگرگونی منواکسید کربن خروجی از پیل سوختی افزایش می‌یابد. در نتیجه مقدار بیشتری منواکسید کربن درون محفظه احتراق واکنش می‌دهد و سبب افزایش اگزرژی تخریبی محفظه احتراق می‌شود. افزایش نسبت تراکم سبب کاهش دمای عملکرد پیل سوختی می‌شود. با افزایش نسبت تراکم نرخ مولی پیشرفت واکنش دگرگونی افزایش می‌یابد. در نتیجه اکثر واکنش‌های شیمیایی درون پیل سوختی انجام می‌شود.
یرای بررسی عوامل موثر بر اگزرژی تخریبی کلکتور پارامترهای دمای سیال ورودی و دمای محیط بررسی شده است. همانطور که مشخص است به دلیل افزایش دمای خروجی و افزایش راندمان اگزرژی، اگزرژی تخریبی کاهش می‌یابد.
جمع بندی
با توجه به مطالب ارائه‌شده در اين مقاله، می‌توان موارد زیر را به عنوان جمع‌بندی بحث ارائه کرد:
- نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد که قسمت عمده تخریب اگزرژی در اجزایی از سیستم هیبریدی اتفاق می‌افتد که در آن‌ها واکنش شیمیایی يا واکنش الکتروشیمیایی رخ می‌دهد. تخریب اگزرژی در پیل سوختی اکسید جامد و تخریب اگزرژی در محفظه احتراق دارای بیشترین مقدار است.
- با افزایش ضریب مصرف سوخت بر اگزرژی تخریبی پیل سوختی اکسید جامد افزوده و از اگزرژی تخریبی در محفظه احتراق کاسته می‌شود.
- با افزایش ضریب مصرف هوا دبی هوای ورودی به سیستم کاهش می‌یابد، درنتیجه باعث افزايش دمای عملکرد پیل سوختی می‌شود.
- هرچه میزان واکنش شیمیایی در پیل سوختی بیشتر شود اگزرژی تخریبی نیز بیشتر خواهد شد.
- نسبت تراکم بیشتر به معنی انجام واکنش بیشتر در پیل سوختی است و به دنبال آن اگزرژی تخریبی نیز بیشتر خواهد شد.
- با افزايش دمای سیال ورودی به کلکتور دمای سیال خروجی افزایش می‌یابد. به دلیل افزايش دمای خروجی و افزایش راندمان اگزرژی، اگزرژی تخریبی کاهش می‌یابد.
- با افزایش دمای محیط میزان اگزرژی تخریبی در کلکتور نیز کمتر می‌شود.
- با افزايش دمای محیط اختلاف میزان اگزرژی تخریبی توربین کاهش می‌یابد.
- با افزایش نسبت تراکم اگزرژی تخریبی توربین گاز افزایش می‌یابد.
- با افزایش فشار کندانسور اگزرژی تخریبی کندانسور افزایش می‌یابد.
گردآوری شده توسط: صابر صادقی و سعید رجبی
