بررسی وطراحی مبدلهای حرارتی با استفاده از روش پینچ

مبدل ها تجهیزاتی هستند که جریان گرمایی را بین دو یا چند سیال در دماهای مختلف فراهم می کنند مبدل های گرما در محدوده وسیعی از کاربردها استفاده میشوند این کاربردها شامل تولید برق،صنایع فرایندی شیمیایی،غذایی،الکترونیک،مهندسی،محیط زیست،بازیابی گرمای استفاده نشده،صنایع ساخت و تولید تهویه مطبوع،تبرید و کاربردهای فضایی می باشند

بررسی وطراحی مبدلهای حرارتی با استفاده از روش پینچ

 

فهرست

 

عنوان                                                                                                                     صفحه

مقدمه

مبدل گرمایی                                                                                                                     1

نقش مبدلهای حرارتی                                                                                                          2

خطوط انتقالVSC راهی به آینده                                                                                           2

از گرمای درون                                                                                                                   4

انرژی گرمایی  زمین و كاربردهای آن                                                                                       10

نیروگاههای جدید حرارتی با سیستم انرژی پاك                                                                         21

نیروگاه های هسته ای                                                                                                         25

سیستم های ذخیره ساز یخ                                                                                                  27

تقسیم بندی مبدلهای گرمایی                                                                                              30                                                                                  

مبدلهای حرارتی  روش پینچ                                                                                               38                 

منابع                                                                                                                            44

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

منابع:

 

1- پژوهشکده صنعت نفت

2- نشریه مبدلهای گرمایی

3- دسته بندی مبدلهای گرمایی        مهندس احمد رضا علمی

4- شرکت ملی نفت خیز جنوب         مهندس علی داسمه

5-اداره مهندسی بهره برداری

مبدل حرارتی

مبدل ها تجهیزاتی هستند که جریان گرمایی را بین دو یا چند سیال در دماهای مختلف فراهم می کنند. مبدل های گرما در محدوده وسیعی از کاربردها استفاده میشوند. این کاربردها شامل تولید برق،صنایع فرایندی شیمیایی،غذایی،الکترونیک،مهندسی،محیط زیست،بازیابی گرمای استفاده نشده،صنایع ساخت و تولید تهویه مطبوع،تبرید و کاربردهای فضایی می باشند.

 

 

مبدل ها را می توان طبق معیار زیر طبقه بندی کرد:

1)     مبدل های گرمایی از نظر انتقال گرما و بازیابی گرما

2)     مبدل های گرمایی از نظر فرایند انتقال

3)     مبدل های گرمایی از نظر هندسه ساختار

4)     مبدل های گرمایی از نظر مکانیزمهای انتقال گرما

5)     مبدل های گرمایی از نظر آرایش جریان های گرم و سرد

 

 

 

یکی از مهمترین و بارزترین اختلاف بین مبدل ها، از نظر شکل و ساختار می باشد و مبدل های گرما از نوع تماس غیر مستقیم اغلب طبق مشخصات ساختاریشان توصیف می شوند و انواع عمده دسته بندی مبدل ها از نظر شکل و ساختار شامل لوله ای،صفحه ای و پره دار می باشد

نقش مبدلهای حرارتی

1- خطوط انتقالVSC راهی به آینده 

خطوط انتقال ^*VSC یا خطوط انتقال با مبدلهای منبع ولتاژی امروزه واقعیت و تحقق یافته و همچنان كه جنبه های خاصی از آن كاربرد می یابد بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند. اولین سیستم انتقالVSC  تحت عنوان طراحی خطوط HVDC سبك توسط شركت ABB ساخته شده است. خود مبدلهای منبع ولتاژی دارای كاربرد در كنترل ادوات FACTS و UPFC بوده است. اما چنانچه مبدلهای منبع ولتاژی بهمراه خطوط DC و یا كابل استفاده گردند تشكیل خطوط  VSC را خواهند داد.

در خطوط  VSC همراه با كابل، چون در VSC از دیود با  هدایت یكسو استفاده میگردد، لذا ولتاژDC در كابل نمی تواند هرگز جهت پلاریته خود را تغییر دهد. این ویژگی با عث میشود كه مشكل بارهای الكتریكی با قیمانده در فضای داخل كابلهای  از بین رفته و نتیجتا مجاز به كاهش قدرت عایقی آنها شده كه این خود اجازه استفاده از فرآیند مفصل بندی در كابلها را میدهد. ویژگیهای فوق سبب كوچك، سبك و ارزان شدن كابل ها می گردند.

در خطوط  VSC ولتاژ متوسط، میتوان كابلهای سبك و كوچك را در زیرزمین قرار داد. در گزارش اخیر IEEE  كاربرد جالبی از خطوط VSC بین شهرهای New South Wales و Queensland  در كشور استرالیا گزارش شده است. چون خطوط بصورت كابل زیرزمینی می باشند دارای مسائل محیطی كمتری در مقایسه با خطوط هوائی خواهند بود.

در گزارش پروژه Directlink تأسیس یك خط VSC بظرفیت 180 مگا ولت آمپر با كابل زیرزمینی در سال 1999 توسط شركت ABB گزارش شده است. خطوط VSC نیز بطور ذاتی دارای خاصیت و ویژگی های ادوات FACTS بشرح زیر می باشند.

1- توانائی كنترل مستقل ولتاژ AC در هر یك از شینهای دو سر خط

2-  با كنترل سریع توان میتواند برای افزایش میرائی نوسانات الكترومكانیكی توان در شبكه های AC استفاده گردد.

3-  طرف انتهائی خطوط VSC میتواند صرفا بار الكتریكی بدون شبكه و ژنراتور باشد در اینصورت مبدلهای VSC میتوانند بار را با یك ولتاژ AC تحت یك دامنه و فركانس تعریف شده تغذیه نمایند.

  *  Voltage Sourced Convertor

 با یك چنین مزایائی چنانچه هزینه و قیمت خطوط VSC قابل قبول باشد میتوانند در شبكه های ولتاژ متوسط بخوبی بكار گرفته شوند. بنابراین خطوط VSC میتوانند بعنوان عامل تقویت و ثبات سنكرونیزاسیون شبكه عمل نمایند. شكل (1) ساختار كلی یك VSC را نشان میدهد.  

 

شكل (1) : ساختار كلی یك خط انتقال  VSC

  در یك VSC عناصر كلیدزنی یا از نوع GTO  و یا TGBT می باشند كه بصورت روشن / خاموش كار كرده و میتوانند براساس الگوریتم PWM كنترل شوند. این الگوریتم میتواند در جهت حذف و یا كاهش هارمونیكی عمل نماید.

با اعمال الگوریتم PWM در اینصورت حداقل 4 متغیر از خط VSC می باید كنترل شود. چنانچه در انتهای خط منبع ولتاژ ac وجود نداشته باشد در اینصورت ولتاژ و فركانس آن قابل كنترل می باشد. اما چنانچه در انتهای خط منبع ولتاژ ac  وجود داشته باشد در اینصورت مبدل های VSC ولتاژ ac انتهائی را كنترل می نمایند.

با بكارگیری خطوط VSC ویژگی سنكرونیزاسیون در شبكه های ac منتفی خواهد شد. از دیگر ویژگی های خطوط VSC در مقایسه با خطوط معمولی افزایش ضریب میرائی نوسانات الكترومكانیكی در شبكه ها می باشد. در حقیقت خطوط VSC نوعی از كنترل كننده های FACTS  بوده كه قادر هستند ولتاژ AC شینهای ابتدا و انتهائی، توان انتقالی از خط، درجه سنكرونیزاسیون و ضریب میرائی نوسانات را كنترل نمایند.

2- از گرمای درون

زمینی كه زیر پای ما قرار دارد، منبع بسیار عظیم انرژی است. این انرژی كه به صورت حرارت از اعماق زمین به سطح آن هدایت می شود در صورت توسعه فناوری استخراج آن، به تنهایی قادر خواهد بود كلیه نیازهای انرژی امروز و آینده بشر را تامین كند. طبق محاسبه ها، مشخص شده است كه انرژی حرارتی ذخیره شده در ۱۱ كیلومتر فوقانی پوسته زمین معادل پنجاه هزار برابر كل انرژی به دست آمده از منابع نفت و گاز شناخته شده امروز جهان است. پس این منبع عظیم انرژی می تواند در آینده جایگزین قابل اطمینانی برای انرژی حاصل از سوخت های فسیلی باشد. البته بدیهی است كه بهره برداری گسترده از ذخایر انرژی زمین گرمایی، مستلزم توسعه بیشتر در زمینه تكنیك های اكتشاف و استخراج آن است.

انرژی زمین گرمایی چیست اصطلاح زمین گرمایی ترجمه واژه Geothermal است كه ریشه یونانی داشته و از كلمات Geo به معنای زمین و Therme به معنی حرارت تشكیل شده است. در حقیقت انرژی زمین گرمایی، انرژی ای است كه از سیال آب داغ یا بخارداغ موجود در اعماق زمین به دست می آید. این انرژی در مخزن زمین گرمایی متمركز شده است كه برای دسترسی به آن در محل مخزن، چاهی عمیق حفر می كنند. سیال خروجی از چاه، عامل انتقال انرژی از مخزن به سطح زمین است. البته عمق مخزن زمین گرمایی نباید بیش از سه هزار متر باشد زیرا بهره برداری از انرژی آن با فناوری كنونی بشر توجیه اقتصادی ندارد. با افزایش عمق زمین درجه حرارت افزایش می یابد. این افزایش حرارت را شیب حرارتی می نامند. تمام منابع انرژی زمین گرمایی در نقاطی واقع شده اند كه از شیب حرارتی بالایی برخوردارند.

تاریخچه این انرژی از ابتدای خلقت مورد استفاده انسان بوده است. بدین ترتیب كه از آن برای شست وشو، پخت وپز، استحمام، كشاورزی و درمان بیماری ها استفاده می شد. اسناد و مدارك موجود ثابت می كند كه ساكنان كشورهایی نظیر چین، ژاپن، ایسلند و نیوزیلند در گذشته های دور از این انرژی استفاده می كردند. در سال ۱۸۲۸ فردی به نام لاردرللو در كشور ایتالیا برای تهیه اسید بوریك از حرارت آب های گرم به جای سوزاندن هیزم استفاده كرد. در سال ۱۹۰۸ در منطقه مذكور نخستین نیروگاه زمین گرمایی به ظرفیت ۲۰ كیلووات راه اندازی شد كه در سال ۱۹۴۰ ظرفیت آن به ۱۲۷ مگاوات افزایش یافت. تا سال ۱۹۵۰ بهره گیری از انرژی زمین گرمایی رشد چندانی نداشت، اما حد فاصل سال های ۱۹۵۰ تا ۱۹۷۳ به دلیل گران شدن بی سابقه و ناگهانی نفت، همه كشورها به فكر استفاده از انرژی های جایگزین افتادند و به تدریج كشورهایی چون آمریكا، ایسلند، فیلیپین، اندونزی و اغلب كشورهایی كه روی كمربند زمین گرمایی جهانی قرار داشتند بهره برداری از این انرژی را شروع كردند.

نشانه های انرژی زمین گرمایی مهمترین نشانه های منابع زمین گرمایی موارد زیر است: سنگ های آتشفشانی جوان جوان تر از یك میلیون سال چشمه های آبگرم بخارفشان یا گازفشان آب فشان نواحی دگرسان شده گل فشان كوه های آتشفشانی فعال البته ذكر این نكته ضروری است كه برای آغاز بررسی های اكتشافی در یك منطقه زمین گرمایی، بیش از یك نشانه باید در منطقه وجود داشته باشد.

موارد كاربرد انرژی زمین گرمایی پس از انجام بررسی های اكتشافی و حفر چاه های اكتشافی و تولیدی در میدان زمین گرمایی، مسئله كاربرد انرژی زمین گرمایی مطرح می شود. مهمترین عامل در تعیین نوع كاربرد مخزن زمین گرمایی، درجه حرارت آن است. امروزه منابع زمین گرمایی را بر اساس درجه حرارت به سه دسته كلی حرارت بالا، حرارت متوسط و حرارت پایین تقسیم می كنند. مبنای این تقسیم بندی، درجه حرارت مخزن در عمق یك كیلومتری زمین است. به این ترتیب كه اگر درجه حرارت مخزن در عمق مذكور بیش از ۲OOC باشد آن را حرارت بالا می نامند. درجه حرارت مخازن حرارت متوسط و پایین به ترتیب بین ۱۵۰C و ۲۰۰C و كمتر از ۱۵۰C است. امروزه از مخزن های زمین گرمایی به دو صورت عمده كاربرد غیر مستقیم تولید برق و كاربرد مستقیم انرژی حرارتی استفاده می شود.

تولید برق به منظور تولید برق از انرژی زمین گرمایی، سیال مخزن آب داغ یا بخار از طریق چاه های حفر شده به سطح زمین هدایت شده و پس از به چرخش درآوردن توربین در نیروگاه، برق تولید می كند. بدیهی است كه از مخازن حرارت بالا بیشتر برای تولید برق استفاده می شود. در حال حاضر ۲۲ كشور جهان به كمك منابع زمین گرمایی خود بیش از MW ۸۲۰۰ برق تولید می كنند. در نیروگاه های زمین گرمایی، انرژی الكتریكی به كمك چرخه های مخصوصی تولید می شود. مهمترین و رایج ترین آنها عبارتند از: ▪چرخه تبخیر آنی در این دسته از چرخه های تولید برق، سیال زمین گرمایی پس از خروج از چاه، وارد یك جداكننده شده و بخار حاصل به سمت توربین و آب داغ به سمت چاه های تزریقی و برج خنك كننده روانه می شود. حال، برحسب اینكه عمل جدایش یا تبخیر آنی در یك مرحله یا دو مرحله انجام شود و برحسب وجود یا عدم وجود كندانسور، سه نوع چرخه تبخیر آنی وجود دارد: چرخه تبخیر آنی یك مرحله ای بدون كندانسور، چرخه تبخیر آنی یك مرحله ای با كندانسور، چرخه تبخیر آنی دومرحله ای.

چرخه دومداره از این چرخه برای تولید برق از مخزن های زمین گرمایی حرارت پایین استفاده می شود. حدود ۵۰ درصد مخازن زمین گرمایی شناخته شده جهان درجه حرارتی بین ۱۵۰C تا ۲۰۰C دارند، كه اگر برای تولید برق از آنها از چرخه تبخیر آنی استفاده شود، چرخه مزبور بازده بسیار پایینی خواهد داشت. در این چرخه از سیال عامل برای تولید برق استفاده می شود بدین ترتیب كه آب داغ، سیال عامل را در یك مبدل حرارتی، گرم و به بخار تبدیل می كند. بخار حاصل، توربین را به حركت در آورده، برق تولید می كند. از جمله مزیت های مهم این چرخه، عدم وجود خوردگی یا رسوب گذاری توسط سیال عامل است. در حال حاضر مهمترین كشورهای جهان از نقطه نظر تولید برق از منابع زمین گرمایی، كشورهای آمریكا ۲۲۲۸ مگاوات، فیلیپین ۱۹۰۹ مگاوات، ایتالیا ۷۶۹ مگاوات، مكزیك ۷۵۵ مگاوات و اندونزی ۵۹۰ مگاوات هستند.