بررسی سیستم های تبرید ترکیبی با میکروتوربین و چیلر جذبی

چکیده:در این تحقیق، یک سیستم ترکیبی خنک کننده شامل چیلر جذبی و تراکمی که با یک میکروتوربین همراه شده، مورد بررسی قرار گرفته است. میکروتوربین، توان مورد نیاز سیستم را که شامل توان کمپرسور سیکل تراکمی، توان فن ها و توان پمپ سیکل جذبی است، تأمین میکند و گرماي گازهاي خروجی آن در ژنراتور سیکل جذبی مورد استفاده قرار میگیرد. این سیستم در چهار ساختار مختلف با سیستم تبرید معمولی که شامل چیلر تراکمی و میکروتوربین است، مقایسه و اثر تغییر دماي محیط بر روي آن بررسی شده است. نتایج نشان می دهد استفاده از سیستم ترکیبی نسبت به سیستم معمولی، کاهش مصرف سوخت را به همراه دارد.
1.مقدمه
نیروگاههاي حرارتی که توان مورد نیاز مصارف صنعتی و خانگی را تأمین می کنند، از محل مصرف فاصله دارند. انتقال توان نیروگاه ها از محل تولید به محل مصرف به وسیلۀ شبکۀ توزیع باعث هدر رفتن درصدي از انرژي خواهد شد. در سیستم هاي تولید پراکندة انرژي تلفات انتقال وجود ندارد، زیرا این سیستمها در محل مصرف یا نزدیک آن قرار دارند . یکی از تکنولوژي هاي مورد استفاده در تولید پراکنده، سیستمهاي تولید هم زمان توان و حرارت است. سیستم هاي تولید همزمان ، سیستم هایی هستند که در آنها علاوه بر تولید توان، از گرماي خروجی واحد تولید توان براي مصارف گرمایشی و حتی سرمایشی، در ساختمان ها یا واحدهاي صنعتی استفاده میشود. راندمان این سیستم ها به بالاي 80 درصد می رسد؛ بنابراین، سیستم هاي تولید هم زمان که در محل مصرف قرار دارند، هم از نقطه نظر انتقال انرژي و هم از لحاظ بازیافت گازهاي خروجی موجب صرفه جویی در مصرف انرژي میشوند.

در اثر سوختن سوخت هـاي فسـیلی، گـاز دي اکسـیدکربن تولیـد میشود، افزایش این گاز در جو به علت خاصیت گلخانه اي در گرم تر شدن زمین تأثیر دارد. در کشورهاي توسـعه یافتـه بـراي کـاهش ورود آلاینده ها به جو، قوانین خاصی وجود دارد. یکی از راههاي رسیدن بـه اهداف این قوانین، استفاده از سیستم هایی با مصرف سـوخت کمتـر و بازدهی انرژي بالاتر است؛ بنابراین، استفاده از سیستم هاي تولید همزمان رو به افزایش است.
کی از کاربردهاي سیستم تولیـد هـم زمـان، اسـتفاده از آن هـا در سردخانه هاست. استفاده از این سیستم ها در سردخانه ها علاوه بر کاهش مصرف انرژي، قابلیت اعتماد بالایی را باعث میشود، زیرا تولید انرژي به وسیله سیستم تولید همزمان میتواند بدون وابستگی به شبکۀ توزیع برق صورت بگیرد؛ در نتیجه خطر قطع برق وجود ندارد.
کیت اي.هرولد و همکاران [1]یک سیستم خنک کننده ترکیبی را مورد آنالیز ترمودینامیکی قرار دادند. ایـن سیسـتم شـامل یـک چیلـر جذبی و یک چیلر تراکمی است که در آن، کندانسـور چیلـر تراکمـی اولیه چیلرها را تأمین میکند. توسط چیلر جذبی خنک میشود و یک موتور احتراق داخلی انـرژي اولیه چیلر ها را تامین می کند.
یانگهو هوانگ [2]یک سیستم خنک کننده ترکیبی را مورد بررسی قرار داده که در آن، چیلر جذبی در سه حالت مختلف در کنار سیستم تراکمی قرار میگیرد. در حالت اول، چیلر جذبی، سـیال خروجـی از در حالت دوم، چیلر جذبی کندانسور سیستم تراکمی را خنک میکند؛ علاوه بر خنک کردن سیال خروجی از کندانسـور، هـواي ورودي بـه میکروتوربین را نیز خنک میکند و در حالت سوم، چیلر جذبی، هواي خنک کننده کندانسور سیستم تراکمی را چند درجه خنک تر میکند. این درصد صرفه جویی در مصرف سیستم ها به ترتیب موجب 12 ،19 و 3 انرژي میشوند.
عامری و همکاران[3]یک سیستم تولید سه گانه را مورد بررسـی قرار دادند. ایـن سیسـتم شـامل میکروتـوربین 200 کیلـوواتی و یـک ژنراتور بخار براي بازیافت حرارت از گازهاي خروجی است.در این سیستم ،در فصل تابستان از گرمای بازیافت شده برای سرمایش و در فصل زمستان از این گرما برای گرمایش استفاده می شود.
بسرایی و همکاران[4]اثر دمای ورودی به میکروتوربین را در یک سیستم تولید همزمان مورد بررسی قرار دادند.بررسی آنها بر پایه ی آزمایش هاي قبل و داده هاي استاندارد یک کارخانه، در دماهاي ورودي مختلف است.
در این پژوهش، یک سیستم خنک کننده ترکیبی در چهار سـاختار مختلف مورد بررسی قرار گرفته است و بازدهی انرژي کل سیستم در این ساختارها با سیستم معمولی که شامل میکروتوربین و چیلر تراکمی است، مقایسه شده است. انـرژي اولیـۀ ایـن سیسـتم بـه وسـیلۀ یـک میکروتوربین تأمین میشود. توان تولید شده در میکروتوربین در یـک چیلر تراکمی و انرژي گرمایی گازهاي خروجی در ژنراتور یک چیلر جذبی مورد استفاده قرار میگیرد. بازده و میزان مصرف انرژي در این چهار ساختار با هم مقایسه شده است.
2.خصوصیات سیستم مورد بررسی
اگر هر کدام از چیلرهاي جذبی و تراکمی به طور جداگانه کـار کننـد، استفاده همزمان از آنها تأثیري بر بهبود عملکرد سیستم نخواهد داشت.در سیستم خنک کننده ترکیبی مورد نظر، چیلرهاي جذبی و تراکمی با
داشتن اجزاي مشترك، عملکرد کل سیستم را بهبود می بخشند.
1.2.میکروتوربین
میکروتوربین ها ،توربین های گازی ساده و در ابعاد کوچک هستند که توان خروج آن ها بین 30 تا 500 کیلو وات است. راندمان الکتریکی میکروتوربین ها با افزایش دمای محیط کاهش می باید.
مقدار انرژي حرارتی که از گازهاي خروجی میکروتوربین براي استفاده در ژنراتور چیلر جذبی بازیافت میشود، در سیستمهاي مختلف متفاوت است؛ براي مثال، در یک سیستم که راندمان الکتریکی آن 30 درصد است، 70 درصد از انرژي اولیۀ ورودي به میکروتوربین به صورت حرارت از سیستم خارج میشود، ولی تنها بخشی از این انرژي براي استفاده هاي دیگر قابل بازیافت است. معمولاً تنها 40 50 درصد از انرژي اولیه براي استفاده در چیلرهاي جذبی قابل بازیافت است . در سیستم مورد نظر، 42 درصد از انرژي ورودي به میکروتوربین برای استفاده در ژنراتور چیلر جذبی بازیافت میشود.
2.2چیلر جذبی
چیلر جذبی، یک سیستم خنک کننده است که منبع انرژي آن حرارت است. سیال عامل در سیستم هاي جذبی از دو نوع ماده، مادة جاذب و مادi مبرد تشکیل شده است. لیتیم بروماید آب و آب آمونیاك، دو سیال عاملی هستند که در حال حاضر در سیستم هاي جذبی بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند. در این پژوهش، سیستم لیتیم بروماید آب براي بررسی در نظر گرفته شده است. سیستم هاي جذبی لیتیم بروماید آب نسبت به سیستم هاي آب آمونیاك ساده ترند و به نگهداري کمتري نیاز دارند.
اجزاي اصلی یک چیلر جذبی شامل تبخیرکننده، کندانسور، شیر انبساط، پمپ، جذب کننده و ژنراتور است. کندانسور و جذب کننده چیلر جذبی میتواند توسط آب یا هوا خنک شود . در این پژوهش، جذب کننده کندانسور چیلر جذبی با هوا خنک می شود و فن هاي جذب کننده و کندانسور به ازاي هر کیلووات انتقال حرارت m3.s-1 0/537 هوا را جابجا میکند و به ازاي هر متر مکعب هوا 775 وات توان مصرف می کند دما در تبخیرکننده چیلر جذبی لیتیم بروماید آب نمیتواند از 2 درجه سانتیگراد کمتر باشد، زیرا فشار در جذب کننده باید با فشار تبخیرکننده برابر شود و با پایین آمدن دما در تبخیرکننده فشار آن نیز کاهش مییابد. در جذب کننده تنها راه پایین آمدن فشار، بالا رفتن غلظت محلول است و با بالا رفتن غلظت محلول، کریستالیزاسیون (ایجاد بلورهاي یخی) به وجود میآید.
3.2.چیلر تراکمی
چیلر تراکمی بر اساس سیکل تراکمی بخار کار میکند . فرئون ها، آمونیاك و دي اکسید کربن از جمله سیالاتی هستند که امکان استفاده از به R آنها در سیستم تبرید تراکمی وجود دارد. در این پژوهش، 22 عنوان سیال عامل سیستم تراکمی در نظر گرفته شده است . سیکل تراکمی بخار شامل تبخیرکننده، کمپرسور، کندانسور و شیر انبساط است. فرضیه هاي در نظر گرفته شده براي چیلر تراکمی در این پژوهش به شرح زیر است:
•ظرفیت تبرید آن، 100 کیلووات است.
•سیال خروجی از تبخیرکننده 5 درجه سانتیگراد فوق داغ و سیال خروجی از کندانسور 5 درجه سانتیگراد مادون سرد میشود.
•افت فشار در کندانسور و تبخیرکننده 50 کیلوپاسکال در نظر گرفته شده است.
•دماي تبخیرکننده 10 درجه کمتر از محیط سرد شونده و دماي کندانسور 10 درجه بیشتر از محیط است (زمانی که کندانسور سیکل تراکمی با تبخیرکننده سیکل جذبی خنک میشود، 10 درجه بیشتر از دماي تبخیرکننده سیکل جذبی است).
4.2.سیستم خنک کننده ترکیبی
در سیستم هاي خنک کننده ترکیبی، دو سیکل تبرید جذبی و تراکمی به گونه هاي مختلف در کنار هم قرار میگیرند. در این پژوهش، چهار ساختار مختلف از سیستم خنک کننده ترکیبی مورد بررسی قرار گرفته است. این ساختارها با یک سیستم ساده که شامل میکروتوربین و چیلر تراکمی است، مقایسه شده اند. در ساختار اول و دوم، کندانسور سیکل تراکمی به وسیلۀ تبخیرکننده سیکل جذبی خنک میشود . در این ساختارها کندانسور سیکل تراکمی و تبخیرکننده سیکل جذبی در یک مبدل حرارتی قرار گرفته اند و به این ترتیب، ظرفیت تبرید سیکل جذبی برابر با کل گرمایی است که باید در کندانسور سیکل تراکمی دفع شود. در ساختار اول، میکروتوربین فقط توان مورد نیاز سیستم را تولید می کند، اما انرژي گرمایی بازیافت شده از آن براي سیکل جذبی کافی نخواهد بود؛ بنابراین، یک بویلر اضافه، مابقی گرماي مورد نیاز سیکل جذبی را تأمین میکند.
در ساختار دوم، میکروتوربین همۀ گرماي مورد نیاز سیکل جذبی را تأمین میکند و به این ترتیب، توان تولیدي آن مازاد بر نیاز سیستم خواهد بود. توان اضافی سیستم در یک چیلر تراکمی دیگر مورد استفاده قرار میگیرد.
در ساختار سوم، سیال خروجی از کندانسور چیلر تراکمی توسط چیلر جذبی خنک میشود. این عمل در یک مبدل حرارتی با جریان همسو انجام میگیرد.در ساختار 4 دو سیکل جذبی و تراکمی به طور جداگانه، در یک محدودة دمایی مشترك کار میکنند. دماي تبخیرکننده در این ساختار، به دلیل محدودیت دمایی در سیکل جذبی لیتیم بروماید، نمی تواند از 2 درجه سانتیگراد کمتر باشد؛ بنابراین، این سیستم براي استفاده در تهویه مطبوع مناسب است.
3.نتیجه گیری
نتایج نشان میدهد در محیط خنک شونده با دماهاي کمتر از 15 – درجۀ سانتیگراد، سیستمی که در آن، کندانسور سیکل تراکمی به وسیلۀ سیکل جذبی خنک میشود و علاوه بر میکروتوربین، بویلر اضافه هم وجود دارد (ساختار 1)، مناسب است و از بازده بالاتري نسبت به سیستم سادة میکروتوربین و چیلر تراکمی برخوردار است . همچنین در محیط خنک شونده با دماهاي بین 25 – و 10 – درجۀ سانتیگراد، سیستمی که داراي دو چیلر تراکمی است و کندانسور یکی از آنها به وسیلۀ سیکل جذبی خنک میشود (ساختار 2)، مناسبترین ساختار از نظر بازده است. همینطور در سیستم هاي تهویه مطبوع، دو چیلر تراکمی و جذبی جدا از هم (ساختار 4) مناسب تر از سایر سیستم هاي ترکیبی است.
مراجع

1)Hwang, Y., “Potential Energy Benefits of Integrated Refrigeration System with Microturbine and Absorption Chiller”, International Journal of Refrigeration, Vol. 27, pp. 816–829, 2004.

2)Ameri, M., Behbahaninia, A., Tanha, A. A.,”Thermodynamic Analysis of a Tri-Generation System Based on Micro-gas Turbine with a Steam Ejector Refrigeration System”, Energy, Vol. 32, pp. 2203-2209, 2010.

3)Basrawi, F., Yamada, T., Nakanishi, K., Naing, S., “Effect of Ambient Temperature on the Performance of
Micro Gas Turbine with Cogeneration in Cold Region”, Applied Thermal Engineering, Vol. 31, pp. 1058-1067,
2011.

4)Garimella, S., Brown, A. M., Nagavarapu, A. N, “Waste Heat Driven Absorption/Vapor-Compression CascadeRefrigeration System for Megawatt Scale, High-Flux,Low-Temperature Cooling”, International Journal of Refrigeration, Vol. 34, pp. 1776–1785, 2011.

5)www.capstoneturbine.com

6)Ashrae Handbook,1997.