بازیابی حرارت اتلافی

نویسنده: مبین بنی‌عم          تاریخ انتشار: ۱۴۰۱/۰۲/۲۰          مدت زمان تقربی مطالعه: ۷ دقیقه

۱- مقدمه

امروزه بسیاری از موارد کاربردی با پتانسیل بازیابی حرارت هدر رفته مانند گازهای خروجی از موتورهای پیستونی، کوره‌های سیمان یا کوره های عملیات حرارتی اغلب با چرخه هایی نظیر رانکین آلی، برایتون معکوس، کالینا، استرلینگ ،برایتون معکوس-رانکین آلی و… ترکیب می‌شوند تا گرمای هدر رفته را به توان مکانیکی تبدیل کنند.

سال‌ها پیش با افزایش تقاضای برق نیروگاه‌های حرارتی در سطح جهان گسترده شدند. این نیروگاه‌ها که اکثراً از منابع انرژی تجدیدناپذیر به عنوان سوخت بهره می‌بردند تنها با هدف تولید برق به کار گرفته می‌شدند. با افزایش قیمت نفت و عدم دسترسی بسیاری از کشورها به این منبع انرژی زوال پذیر، دولت‌ها به فکر افزایش بازده نیروگاه یا افزایش بهره وری انرژی افتادند. در این مسیر کارهای متفاوتی می‌توانست انجام شود از جمله ساخت نیروگاه‌های ترکیبی گازی و بخار، یا کوپل کردن نیروگاه با هر وسیله دیگری که نیاز به حرارت داشته باشد. اگر حرارت واحد های صنعتی به صورت مستقیم و بدون بازیافت حرارت وارد محیط شود موجب گرمایش محیط زیست خواهد شد.سیکل‌های رانکین ارگانیک قابلیت‌های بالایی در بازیافت چنین حرارت هایی را دارا می‌باشند ضمن این که این سیکل ها دارای ایمنی بالایی بوده و از نیازهای تعمیراتی پایینی برخوردار می‌باشند. ترکیب سیکل‌های رانکین ارگانیک با سیستم‌های انرژی دیگر همچون انرژی‌های خورشیدی و زمین گرمایی باعث افزایش بازده کلی سیکل خواهد شد. از آنجایی که سیکل‌های رانکین ارگانیک به صورت طبیعی و بدون مصرف سوخت (استفاده از حرارت هدر رفته سیکل های دیگر) کار می‌کنند آلودگی محیط زیستی (تولید CO2 و NOX ) کمتری در مقایسه با سیکل‌های دیگر خواهند داشت.

۲- تاریخچه

اولين سيكل رانكين ارگانيك در سال ۱۸۸۳ توسط ofledt.w اختراع گرديد كه در آن از نفتا بعنوان سيال عامل بجاي آب استفاده گرديد. كه از اين سيكل بعنوان موتور قايق با جايگزين نفتا بعنوان سيال عامل مورد استفاده قرار گرفت.

شکل ۱- اولین نمونه موتور نفتا ساخته شده درسال ۱۸۹۰

هیدرو کربن مایع شفاف نفتا را می‌توان از تقطیر ذغال سنگ یا نفت خام تولید کرد. گرمای تبخیر نفتا کمتر از آب است و واضح است که بخار بیشتری از گرمای داده شده به نفتا تولید خواهد شد و در صورتی که به جای آب از نفتا استفاده گردد موتور کار بیشتری انجام می‌دهد. در اوایل دهه ۱۹۶۰ Evi Tabor نمونه اولیه سیکل رانکین برای بازیافت حرارتی از منابع دما پایین مثل انرژی خورشیدی و تبدیل ان به برق را ایجاد نمود. در سال ۱۹۶۵ یک شرکت اسرائیلی مدل آزمایشگاهی این سیکل را به مدل تجاری تبدیل کرد.

شکل ۲- موتور نفتا

۳- نصب چرخه رانکین ارگانیک در جهان

سیستم‌های رانکین ارگانیک در بسیاری از کشور های جهان با موفقیت نصب و راه اندازی شده است. شکل۳ برخی از کشور‌هایی که سیکل رانکین ارگانیک در آن ها نصب و راه اندازی شده است را نشان می‌دهد. همانطور که مشخص است بیشتر واحد‌ها در کشور های آمریکا، کانادا، ایتالیا و آلمان وجود دارد و در کشور هایی از قبیل بلژیک، اتریش، روسیه، رومانی، هند و مراکش فقط یک واحد نصب و راه اندازی گردیده است. شرکت‌های ABB،Turboden ،ORC ormat و Tas Energy برخی از شرکت‌های مطرح تامین کننده سیستم های ORC در جهان می‌باشند.

شکل ۳- نصب چرخه رانکین ارگانیک در جهان

۴- گرمای اتلافی در صنعت

فرآیندهای صنعتی مانند کوره‌های انفجار، کوره‌های سرامیکی، راکتورهای شیمیایی و غیره مقادیر زیادی گرمای اتلافی تولید می‌کنند که دیگر نمی‌توان به عنوان یک منبع گرمایی برای فرآیندهای مشابه مورد استفاده قرار داد. این امر یک ضرر مالی قابل توجه برای صنعت و همچنین افزایش انتشار آلاینده های آلودگی چه از نظر شیمیایی و چه از نظر گرمایی است. سیکل رانکین ارگانیک مسئولیت بازیافت اینگونه انرژی اتلافی که حدود ۲/۴   % از ظرفیت سطح جهانی را شامل می‌شود، بر عهده دارد که عمدتا در کاربردهای کوچک مورد استفاده قرار می گیرد. از این میان تولید فلز، سیمان و آهک و شیشه مهمترین آنها هستند. وزارت انرژی و استراتژی صنعتی انگلیس، گزارش می‌دهد که گرمای اتلافی در صنعت این کشور به طور کلی GW 46/5 است. از این منابع، ۶/۲۹ درصد در دمای بیش از ۵۰۰ درجه سانتیگراد، ۵ درصد در دمای متوسط ۲۵۰-۵۰۰ درجه سانتیگراد و ۴/۶۵ درصد در دمای ۲۵۰ درجه سانتیگراد و یا کمتر قرار دارند. کایر و همکارانش، گزارش دادند که در کانادا، دو سوم مصرف انرژی اولیه توسط هشت بخش بزرگ صنعتی به عنوان گرمای اتلافی آزاد می‌شود. با فرض نرخ بهره دهی ۱۰ درصد، این به معنی بازیابی بالقوه سالانه ۱۶۸ PJ یا توان متوسط GW 3/5 و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای به مقدار MT 2/11 است. هونگ و همکارانش نیز بیان کردند که در تایوان، ۸۸ درصد از منابع گرمایشی اتلافی از منابع گرمای متوسط در درجه حرارت پایین و کمتر از ۳۷۰ درجه سانتیگراد هستند. در یک مقاله، آنها اظهار داشتند که گرمای اتلافی با دمای کم، ۵۰ درصدکل حرارت تولید شده در صنعت را تشکیل می‌دهد و منجر به آلودگی حرارتی می‌شود. همچنین بادیسولیستو و همکاران، تخمین می‌زنند که بین ۲۰ تا ۵۰ درصد انرژی حاصل از صنعت به صورت گرمای اتلافی آزاد می‌‌شود. . در ایران نیز اتلاف انرژی به گونه‌ای است که طبق گزارش مرکز پژوهش‌های مجلس تقریباً سالیانه معادل ۵۰۰ میلیون بشکه نفت خام یا روزانه ۱/۳ میلیون بشکه نفت هدر می‌رود. این در حالی است که بخش عمده ای از انرژی کشور در پالایشگاه‌های نفت و گاز و نیروگاه های برق به هدر می‌رود و تلفات بخش عرضه انرژی قبل از اینکه به دست مصرف کننده نهایی برسد به این مقدار است.

یكي از راهكارهای پيشنهادی براي بهينه سازی و افزايش راندمان سيستم‌ها استفاده از سيكل‌های تركيبی و بازيافت انرژی حرارتي تخليه شده به محيط مي‌باشد كه استفاده از چرخه رانكين ارگانيك يكي از روش‌ها مي‌باشد.

شکل ۴- شماتیک چرخه ORC

۵- معرفی چرخه رانکین آلی

چرخه كلاسيك مورد استفاده در بخش بازيابي حرارت اتلافي، چرخه رانكين است. در ۲۰ سال گذشـته استفاده از چرخه ارگانيك رانكين به جاي چرخه رانكين در بازيابي حرارتی و بهره برداری از انرژ‌هـای نو، مورد توجه قرار گرفته و بطور گسترده‌ای درحال استفاده است.

چرخه رانكين آلي يا ارگانيك نام چرخه رانكينی اسـت كـه در آن بـه جـاي آب از سـيال آلـی بـا عـدد مولكولي بالا استفاده مي‌شود. تغيير فاز مايع، بخار و نقطه جوش ايـن سـيالات، در دماهـای پـايين‌تـر از دمای تغيير فاز آب رخ مي‌دهد. استفاده از اين سيالات، امكان بازيافت گرما از منابع با دماي پايين‌تر مثـل احتراق زيست توده، گرماي مازاد صنعتی، گرمای زمين گرمايی، حوضچه‌های خورشـيدی و … را فـراهم مي‌كند.

تفاوت اصلي بين دو چرخه رانكين عادی و آلی، سيال مورد استفاده در هر چرخه است. در چرخه بخـار رانكين، تنها آب استفاده مي‌شود در حالي كه صدها سيال عامل وجود دارنـد كـه مـي‌تواننـد در چرخـه رانكين آلی مورد استفاده قرار گيرند.

۶- اجزای چرخه رانکین ارگانیک

در شكل۵ شماتيكي از چرخه ORC براي بازيافت انرژی گاز خروجي توربين گازی نشان داده شده است. سیستم ORC شامل: اواپراتور، اکسپندر، کندانسور، پمپ و سیال عامل می‌باشد. سیال عامل در بويلر حرارت خروجي توربين گازی را جذب كرده و آن را به بخار فشار و دماي بالا تبديل مـي‌كنـد و سپس جريان با فشار بالا را وارد توربين مي‌كند تا به توان تبديل گردد. بعد از آن بخار سـوپرهيت فشـار پايين وارد كندانسور شده و به مايع تبديل مي‌شود و در نهايت سـيال عامـل توسـط پمـپ بـه اواپراتـور ارسال شده و اين چرخه تكرار مي‌شود.

۷- ترمودینامیک چرخه رانکین ارگانیک

انتخاب سيال كاري در يك سيكل ORC يكي از مهمترين پارامترها است كه بسته به كاربرد و سطح انرژی منبع حرارتی تغيير مي‌كند. از آنجا كه اين نوع سيكل براي بهره برداری از منابع حرارت دما پايين،متوسط ودما بالا مناسب است، در آن از سيالاتی استفاده مي‌شود كه دماي جوش و حرارت نهان تبخير پايينی دارند و ميتوانند در اثر انرژی كم به راحتي بخار شده و در توربين كار تحويل دهند. در دماي بحراني بالاتر دماي جوش نرمال نيز بيشتر است. در سيكل ORC اختلاف آنتالپي ماكزيمم نسبت به سيكل رانكين بخار آب بسيار كمتر است. در واقع آنچه باعث جبران اين مقدار در كار سيكل ميشود، دبي جرمي بالاتر سيال كاري است. سيكل ORC ميتواند در شرايط بخار اشباع يا چند درجه فوق داغ كار انجام دهد. علاوه بر نكات ترموديناميكي كه در مورد انتخاب مواد بايد مورد توجه قرار داد، نكات زيست محيطي نيز بايد در نظر گرفته شود. ماده‌ي مورد استفاده در اين سيكل نبايد سمي باشد و يا تاثير مخرب بر لايه‌ای داشته باشد.

شکل ۵- اجزا چرخه رانکین

 منابع:

  •  Larjola, J.(1995): Electricity from Industrial Waste Heat using High-Speed Organic Rankine Cycle (ORC). International Journal of Production Economics 41, 227-235
  •  Tartiere, T., Astolfi, m. (September 2017): A World Overview of the Organic Rankine Cycle Market.Energy Procedia 129, 2-9
  •  Energy, E.(2014): The Potential for Recovering and Using Surplus Heat from Industry., UK Department of Energy and Climate Change, London
  •  Hung, T. C., Shai, T. Y., Wang, S. K.(July 1997): A review of Organic Rankine cycles (ORCs) for the recovery of low-grade waste heat. Energy 22(7), 661-667
  •  Budislistyo, D., Krumdieck, S.(2017): A novel design methodology for waste heat recovery systems using organic Rankine cycle. Energy Conversion and Management142, 1-12
  •  http://kayhan.ir/fa/news/175906

 واژه نامه

ردیف معادل فارسی لاتین
۱ بازیاب حرارت هدر رفته Waste heat recovery
۲ چرخه رانکین ارگانیک Organic Rankine Cycle
۳ چرخه برایتون معکوس Inverted Brayton Cycle
۴ استرلینگ Strling
۵ اواپراتور Evaporator
۶ اکسپندر Expander
۷ کندانسور Condenser
۸ سیال عامل Working fluid

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *