توضیحات
پروژه شبیه سازی سیکل رانکین آلی در نرم افزار اسپن پلاس ASPEN PLUS
Simulation of Organic Rankine Cycle in ASPEN PLUS Software
سیکل رانکین آلی(ORC):
یک سیکل رانکین آلی(Organic Rankine Cycle) یا سیکل ارگانیک رانکین( ORC ) شبیه سیستم تبدیل انرژی بخار معمولی است اما از سیال های آلی مثل هیدروکربن ها به جای آب به عنوان سیال عامل بهره می برد.
دنیا پر از انرژی است اما برای قابل استفاده بودن باید به توان تبدیل شود و این فرایند باید تا جایی که ممکن است پربازده و همراه باصرفه اقتصادی باشد. یکی از این فرایندها بازیابی حرارتی است که دارای مزایای زیر است:
1-کاهش نشر کربن دی اکسید به خاطر تبدیل گرمای تلف شده به انرژی
2-حفظ منابع طبیعی به واسطه کاهش مصرف سوخت
3-افزایش پایداری با دستیابی به بیشترین بازده سیکل تولید توان.
گسترش روزافزون صنایع و نیاز بالا به مصرف انرژی موجب شده تا بازیابی انرژی و استفاده دوباره از انرژی های هدررفته در صنایع امروزه به یک اولویت تبدیل شود. چگونگی استفاده از انرژی های هدر رفته که معمولا دارای دمای پایین تری هستند خود از موضوعات مورد مطالعه در میان محققان است؛ در واقع نحوه تبدیل دوباره انرژی هدر رفته به توان مانند تبدیل آن به انرژی الکتریکی و سایر شکل های انرژی، موضوع بحث مهندسین است. یکی از این روشها استفاده از سیکل آلی رنگین است که با بازیابی حرارت تلف شده صنایع کار می کند و انرژی اتلافی را به توانی تبدیل می نماید. سیکل توان بخار با توجه به نام مخترع آن سیکل رنکین خوانده می شود. اجزای اصلی سیکل بخار در یک واحد تولید برق حرارتی عبارت اند از: بویلر، توربین بخار، ژنراتور، چگالنده، برج خنک کن و پمپ های تغذیه در یک سیکل رنکين که از حرارت بازیابی شده استفاده می کند به جای بویلر، تبخیر کننده حرارت موردنیاز سیال عامل را تأمین می کند.
شکل نمایی از سیکل رانکین.
از سیکل آلی رنکین می توان برای بازیابی حرارت اتلافی دما پایین استفاده نمود. این سیکل مشابه سیکل رنکین بوده و تنها از سیالات آلی به عنوان سیال عامل در آن استفاده می شود. همان گونه که در شکل نشان داده شده، سیال عامل خنک و کاملأ مایع در حالت ۱ توسط پمپ در نقطه ۲ وارد تبخیر کننده شده است و با جذب حرارت و تغییر فاز به گاز در حالت ۳ وارد توربین شده و تولید توان در ژنراتور صورت گرفته است؛ سپس در حالت ۴ وارد چگالنده شده و پس از دادن حرارت و تبدیل شدن به مایع دوباره سیکل را تکرار می کند.
سیال های آلی یا ارگانیگ:
سیال های آلی یا ارگانیک به سیال هایی می گویند که در فرمول شیمیایی خود دارای کربن هستند. بر این اساس تنها تفاوت سیکل ارگانیک رنکین با سیکل بخار در نوع سیال عامل به کار رفته در سیکل است. همین تفاوت اندک، در رفتار و کاربرد سیکل تغییرات مهمی ایجاد می کند. بخار اشباع نمودن سیال ارگانیک جهت استفاده در توربین، در دمای بسیار پایین تری نسبت به آب رخ میدهد، بدین ترتیب بازه دمایی سیکل ارگانیک رنکین پایین تر از سیکل رنکین بخار است و می توان از سیکل ارگانیک رنکین در بازیابی حرارتی استفاده نمود. منابع تأمین کننده انرژی سیکل ارگانیک رنکین مواردی چون زیست توده، حرارت اتلافی در صنایع از جمله گاز دودکش کوره ها در صنایع ذوب فلزات، شیشه سازی، کارخانه سیمان، پالایشگاههای نیروگاه ها و سایر صنایع بزرگ، زمین گرمایی و خورشید می تواند باشد.
بیش از ۵۰ کل حرارت تولید شده در سراسر جهان به صورت دما پایین است که شامل حرارت اتلافی، حرارت تولیدی توسط گردآورنده های خورشیدی دما پایین و حرارت زمین گرمایی است. تحقیقات در زمینه
تولید توان الکتریکی از منابع حرارتی دما پایین، توجه فراوانی را در سال های اخیر به خود معطوف کرده است. چرخه ORC ، پرکاربردترین چرخه برای این منظوراست. با توجه به اینکه چرخه ی رانکین بخار سنتی اجازه تولید توان کارآمد را در دماهای پایین نمی دهد، چرخه ORC به دلیل سادگی و بازده بیشتر به طور گسترده جهت تبدیل حرارت دما پایین به توان مورد استفاده قرار می گیرد. چرخه ی ORC بر اساس چرخه رانکین سنتی که در نیروگاه های بخار استفاده می شود، کار می کند، با این تفاوت که به جای آب از یک سیال آلی مانند مبردها، هیدروکربنها، الكل ها، حلال ها یا دیگر مواد آلی به عنوان سیال عامل استفاده می کند. دمای جوش سیال عامل در ORC خیلی کمتر از دمای جوش آب است. بنابراین نیازی به دسترسی به دماهای بالا برای تولید بخار به منظور به کار انداختن توربین وجود ندارد. مزایای متعددی در مورد استفاده از ORC در مقایسه با چرخه بخار سنتی وجود دارد که از آن جمله می توان به بهره برداری بهتر از منابع انرژی دما پایین، داشتن سیستم هایی با اندازه ی کوچکتر و کارایی اقتصادی بهتر اشاره کرد. نمودار شماتیک یک چرخی ORC ساده که دارای چهار جزء اصلی شامل پمپ، اواپراتور، توربین و چگالنده است.
نمودارشماتیک یک چرخهORC ساده.
سیال عامل در نقطه ۱ (خروجی چگالنده) در حالت مایع اشباع است. در عبور از پمپ، فشار سیال افزایش می یابد. سیال عامل متراکم با عبور از اواپراتور و با دریافت گرما از منبع حرارتی، گرم شده و به حالت بخار از اواپراتور خارج می شود. سیال عامل داغ و دارای فشار بالا با عبور از توربین، منبسط شده و کار انجام میدهد
و دما و فشارش کاهش می یابد. سیال عامل که در حالت بخار یا دو فازی است با دفع حرارت به چاه گرمایی
در چگالنده تبدیل به مایع اشباع می شود و به این ترتیب چرخه کامل می گردد.
شکل نمودار T-s یک چرخه ORC ساده.
تحقیقات در زمینه ی چرخه ORC معمولا شامل انتخاب سیال عامل مناسب برای چرخه، بهینه سازی چرخه ی ORC و بررسی آرایش های مختلف چرخه برای افزایش بازده یا توان خالص خروجی چرخه است. انتخاب سیال عامل و شرایط کارکرد ORC تأثیر عمده ای روی کارکرد سیستم، بازده و محیط زیست دارد. همچنین در صورت استفاده از آب، نسبت حجمی انبساط در توربین در مقایسه با سایر سیالات خیلی بزرگتر بوده و توربین به مراتب پیچیده تر و پرهزینه تری مورد نیاز خواهد بود.
نرم افزار ASPEN :
در سال ۱۹۷۰ تعدادی از دانشجویان دانشگاه HIT اقدام به نوشتن برنامه کامپیوتری برای شبیه سازی فرآیندهای شیمیایی کردند. با گذشت زمان و موفقیت هایی که در این زمینه حاصل شد در سال ۱۹۸۰ اقدام به پایه گذاری شرکت ASPEN TECH نمودند. در حال حاضر این شرکت، بزرگترین شرکت فعال در زمینه شبیه سازی فرآیندهای شیمیایی در جهان است. نرم افزار ASPEN جزء کاملترین و قوی ترین مجموعه نرم افزارهای شبیه سازی است و بخش های مختلف آن در قالب ASPEN Engineering suit به صورت بسته های مستقل نرم افزاری ارائه می گردند. بسته نرم افزاری ASPEN PLUS از مهمترین اعضا این مجموعه می باشد و به عنوان پایه سایر بسته های ASPEN استفاده می گردد. بدین معنی که می توان شبیه سازی دقیق تر و تخصصی فرآیندهای مختلف از قبیل ستون های تقطير، مبدل های حرارتی و… را در داخل بسته های مربوط انجام داده و نتایج حاصل را در ASPEN PLUS جایگزین نمود.
اجزای سیکل رانکین آلی(ORC):
مهم ترین اجزایی که در سیستم چرخه رانکین آلی(ORC) باید در مورد آنها بحث کرد عبارت اند از: تبخیرکننده یا اواپراتور(Evaporator)، توربین(Turbine)، چگالنده یا کندانسور(Condenser)، مبدل حرارتی(Heat Exchanger) و پمپ(Pump) که در طراحی یک سیکل رانکین آلی لازم هستند.
توربین و ژنراتور:
توربین بخار وسیله ای است که انرژی حرارتی ذخیره شده در بخار تحت فشار را به انرژی مکانیکی برای جابجایی ژنراتور و تولید برق، تبدیل می کند. توربین های بخار مدرن در سال ۱۸۸۴ توسط شخصی به نام پاسونز گسترش یافت. بیشتر نیروگاه ها و به دنبال آن سیکل های تولید برق دنيا از روش تولید برق از توربین بخار در استفاده می کنند. ژنراتورهای توربین بخار نیز به صورت پکیج های کامل ارائه می شوند که شامل گیربکس، مولد برق، سیستم روغن کاری، سیستم کنترل روغن، سیستم محافظت از سنجش کنترل الکتریکی و سیستم کنترل ابزار دقیق هستند. اطلاعات مربوط به بازده و نحوه کارکرد آنها توسط تأمین کنندگان ارائه می شود. راندمان این نوع از توربین بسته به نوع طراحی و تعداد مرحله ۲ آن متغیر است. از آنجایی که راندمان کلی سیستم نیروگاه حرارتی پایین است، باید راندمان توربین را تا حد امکان در سطح بالایی نگه داشت. برای این کار توربین بخار را به صورت ترکیبی از ضربه ای و عکس العملی می سازند.
شکل بالا طرحواره جریان های ورودی و خروجی یک توربین را نشان می دهد. در این شکل جریان 1 به شکل بخار فوق گرم وارد شده است. جریان ۲ به شکل مخلوط بخار و مایع خارج شده است؛ همچنین کار W که محصول اصلی توربین است به عنوان یک جریان از آن خارج شده است.
مبدل های حرارتی(Heat Exchanger):
مبدل های حرارتی وسایلی هستند که برای تبادل حرارت بین دو سیال از آنها استفاده می شود. مبدل ها براساس نوع حرکت جریان در آنها و ساختارشان دسته بندی می شوند. بر اساس نوع حرکت جریان آنها به دو دسته جریان موازی و جریان مخالف دسته بندی می شوند. در نوع جریان موازی دو جریان گرم و سرد از یک طرف واردشده و از طرف دیگر خارج می شوند. در مبدل های جریان مخالف جریانهای سرد و گرم طوری حرکت می کنند که از سمتی که جریان سرد واردشده جریان گرم خارج می گردد. همچنین ممکن است یکی از جریان به صورت متقاطع با جریان دیگر حرکت کند. گاهی طراحی مبدل ها به گونه ای است که جریان ها باهم تماس دارند. این نوع مبدل ها را تماس مستقیم می نامند. بر اساس ساختار یکی از مبدل های رایج مبدل پوسته لوله است که خود انواع مختلفی بر اساس کاربرد و طراحی دارد. یک نوع مهم از مبدل ها که برای استفاده از سطح تماس بالا در حجم کم بسیار مورد توجه است، مبدل های فشرده هستند که خود انواع مختلفی دارند.
شکل نمایی از مبدل حرارتی و جریان های ورودی و خروجی.
چگالنده یا کندانسور(Condenser):
از چگالنده به عنوان یک مبدل حرارتی برای انتقال گرمای جذب شده و کار انجام شده توسط پمپ به بیرون استفاده می شود. معمولا سیالی که وارد چگالنده می شود در حالت بخار فوق گرم است که با دادن گرما به حالت اشباع نزدیک می شود. بخش اصلی یک چگالنده برای تغییر فاز سیال از حالت بخار اشباع به مایع اشباع است که این فرایند در فشار ثابت صورت می گیرد. چگالنده ها بسته به این که توسط هوا یا آب خنک شوند، در دودسته اصلی هوا خنک و آب خنک قرا می گیرند. معمولا برای چگالنده ها از آرایش مبدل های جریان مخالف استفاده می شود زیرا این مبدل ها عملکرد بهتری دارند. در این پروژه چگالنده آب خنک استفاده شده است. سیال خنک کننده با عبور از درون لوله ها سیال کاری سیستم را که به صورت ترکیب بخار و مایع وارد چگالنده شده و در قسمت پوسته قرار دارد را خنک می کند. لوله های مبدل می توانند به صورت افقی و یا قائم باشند.
تبخیرکننده یا اواپراتور(Evaporator):
تبخیر کننده یک مبدل حرارتی محسوب می شود که وظیفه آن در سیکل رنکین جذب گرما از منبع گرم، انتقال به سیال عامل درون سیکل به منظور افزایش دما، تبخیر و فوق گرم کردن آن است. در شرایط معمول سیکل رنکین، سیال در حالت مایع اشباع وارد تبخیر کننده می شود و فوق گرم از آن خارج می گردد. مسیری که سیال عامل از ورود به تبخیر کننده تا خروج از آن طی می کند، سبب افت فشار آن می شود. جذب گرما توسط تبخیر کننده می تواند توسط صفحات، لوله های ترکیب آنها و سایر قسمتها صورت گیرد که البته سیال حامل گرما نیز می تواند گاز و یا مایع باشد.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی سیکل رانکین آلی در نرم افزار اسپن پلاس ASPEN PLUS انجام شده است. سیال آلی استفاده شده R245FA می باشد.
