CHP :
علم CHP یا حرارت و توان ترکیبی بدلیل صرفه جویی در سرانه انرژی مصرفی کشورها و کمک به پاکیزگی محيط زيست ودر بعضی از مواقع جلوگیری از الودگی هواو همینطور استفاده از انرژي پاك طبيعت پيشرفت قابل ملاحظه اي كرده است .
هم اكنون با توجه به سياست هاي اقتصادي دولت به منظور هدفمند كردن يارانه ها و افزايش قيمت حامل هاي انرژي و از طرفي اهميت بيش از پيش هزينه سوخت درقيمت تمام شده كليه محصولات توليد داخل و همچنين حمايت وزارت نيرو از احداث واحد هاي توليد برق در مقياس كوچك توسط اشخاص حقيقي يا حقوقي موجب شده تا مديران صنايع نسبت به صرفه جويي بيشتر در مصرف انرژي اهتمام ورزيده و بعضاً اقدام به احداث نيروگاههاي برق با مقياس كوچك نمايند .
در مجموعه ها مصرف كننده هاي عمده انرژي عبارتند از :
1- موتورهاي احتراق داخلي
2- مشعلها
روشهاي بهينه سازي انرژي مصرفي در مجموعه موتورها و مشعل ها :
1- تنظيم فشار پمپ سوخت
2- تميز كردن و يا تعويض نازل پاشش سوخت
3- تنظيم و كنترل مستمر هواكش و يا دمپر هوا و در صورت وجود تعويض بموقع فيلتر هاي هوا
رعايت نكات اساسي فوق باعث كاهش قابل توجه سوخت مصرفي ميشود .
مبحث ديگري كه در اشل كشوري داراي اهميت ميباشد افزايش راندمان سيستمهاي مصرف كننده سوخت ميباشد . بطور مثال راندمان يك مشعل حدوداً 80 % است كه با تنظيم مقدار هواي مناسب و پا شش صحيح سوخت افزايش اين راندمان تا 98 درصد امكان پذير ميباشد .كه بايد سازمانهاي گواهي دهنده و استاندارد در سطح كشور به آن توجه نمايند .
بعنوان مثال :
راندمان يك نيروگاه گازي حدود 31 % الي 36 % در شرايط ايده آل كار توربين ، كمپرسور،كوره هواي گرم مي باشد الباقي انرژي كه حدوداً 64 % الي 69 % ميباشد بصورت گازهاي داغ از دودكش خارج ميگردد كه با قراردادن مبدل آبگرم يا بخار و يا هواي گرم مقدار راندمان 31% الي 36 % را تا 70 % الي 78 % ميتوان ارتقاء داد ، اگر درصد هاي فوق را به واحد هاي انرژي تبديل كنيم مقدار صرفه جويي قابل لمس تر خواهد بود . بطورمثال در يك شهرك صنعتي كه بطور متوسط مجموع مصرف انرژي با راندمان 50 % ميباشد . مصرف سوخت اين شهرك صنعتي در روز معادل ده ماشين حمل سوخت با مجموع ظرفيت 000/280 ليتر ميباشد .
انرژي حاصل از اين سوخت مايع حدوداً 2800 مگا كيلوكالري ميباشد . كه فقط 1400 مگا كيلوكالري آن بصورت مفيد مصرف و الباقي بصورت حرارت از دودكش ها و بدنه ماشين آلات خارج ميگردد و به ازاي هر يك درصد افزايش راندمان 1400 ليتر صرفه جويي سوخت خواهيم داشت و اگر بتوانيم راندمان مجموعه را تا 70 % ارتقاء دهيم . يعني 28000 ليترصرفه جويي در روز برای یک مجموعه.
مسئله صرفه جويي در كشورهاي پيشرفته از قدمت بیشتری برخوردار ميباشد شايد به قدمت اختراع ديگ بخار كه در آن زمان محوطه كارگران را با گرماي حاصل از دودكش گرم ميكردند .
به دليل اهميت موضوع شاخه اي از علم مكانيك به اين موضوع اختصاص داده شده است و آن تركيب حرارت و قدرت يا Combind Heat & Power يا اختصاراً CHP ناميده شده است .
بطور مثال انسان مدرن با صرف هزينه هاي بسيار زياد از گرما و انرژي خورشيد توسط سلولهاي خورشيدي انرژي دريافت ميكند در حاليكه دهها برابر آنرا توسط اگزوزها و دودكش ها هدر مي دهد . بنابراين به موازات استفاده از انرژي پاك استفاده از حرارت دودكش ها نيز به طبيعت كمك مي كند .
حرارتي كه از دودكش ميگيريم در كجا ميتوان مصرف كرد ؟
1- گرمايش محيط زندگي و كار
2- توليد بخار جهت مصارف صنعتي و يا نيروگاه بخار ( سيكل تركيبي )
3- توليد آبگرم مصرفي ساختمانها و ادارات و كارخانجات
4- توليد كوره هاي هوا گرم
5- استفاده از هواي گرم جهت خشك كردن ميوه جات
6- استفاده از حرارت دود و گازهای خروجی موتورهای درون سوزجهت ژنراتور دستگاههاي Absorbtion براي توليد هواي سرد در تابستان .
7- دريافت انرژي الكتريسته ( برق ) از حرارت دودكش در نيمه هادي ها و ترموكوبلها ( اگر دو فلز با دو جنس مخالف را از يك سر بهم گره بزنيم و در مقابل حرارت قرار دهيم در دو سر ديگر اختلاف ولتاژ بوجود ميايد كه اين اختلاف ولتاژ بطور خطي افزايش مي يابد. با سري كردن اين ترموكوپلها مي توان به ولتاژ هاي قابل قبول جهت روشنايي محوطه در شبها رسيد .)
محدوديت هاي استفاده از هواي گرم دودكشها :
1- محدوديت دماي مبدل حرارتي
مبدلی که گرمای دودکش و محصولات احتراق را دریافت میکند خود سقف دماي كار از پيش تعيين شده اي دارد.این سقف محدودیت استفاده از دود را تعيين مينمايد .
مثال : اگر قصد داريم ديگ بخاري با فشار کار 10 اتمسفر سر راه دودكش قرار دهيم ناچارا” دماي اشباع بخار 180 درجه خواهد بود و حداقل 20 الی 30 درجه سانتیگراد دماي دود خروجي از مبدل بايد بالاتر باشد .بنابراین دود خروجي از مبدل و در نهايت دودكش به 230 درجه سانتي گراد محدود خواهد شد .
2- محدوديت نقطه شبنم :
هنگاميكه دماي دود به پايين تر از دماي نقطه شبنم مي رسد بخار آب كندانس شده و با گوگرد و يا CO2 موجود در سوخت و دود ، اسيدي با PH پايين توليد مينمايد كه موجب خوردگي در مبدل و يا ديواره دودكش ميگردد و طراح بايد در مقوله طراحي دماي دود را در نظر گرفته و به نسبت خورندگی گازها جنس دودکش را تعیین نماید.
3- افت فشار كوره :
مهمترين نكته در استفاده از مبدلهاي CHP افت فشار كوره ميباشد.
وقتی که افت فشار مسیر گازهای داغ افزایش میابد موجب هدر رفتن مقداری از قدرت الکتروموتور برای جبران اين افت میگرددو ایراد اساسی که در فن مشعلها و يا كمپرسورها بوجود میا ید مقدار هوای طراحی شده است كه بشدت كاهش يافته و اين كاهش هوا موجب بالا رفتن دمای شعله و یا دود شده وتولید گازهای NOX میگردد که به محیط زیست اسیب میرساند.
در اين مورد بحثهاي فراواني پیش میاید که در جای خود بدان پرداخته خواهد شد .
مثلاً چرا از ابتدا راندمان را بالا نمي بريم ؟كه مجبور بشويم از ضايعات حرارت استفاده كنيم .
واقعيت اين است كه در بسياري از پروسه های عملي امكان بالا بردن مستقيم راندمان وجود ندارد .برای بالا بردن راندمان يك نيروگاه بخار بشكل ذيل عمل مي شود .
1- افزايش دماي بخار ورودي توربين .
2- كاهش دماي آب ورودي پمپ .
حال اگر فرض كنيم تمامي تجهيزات نيروگاه شامل ديگ بخار – توربين – پمپ كندانسور با راندمان 100 % كار كنند راندمان ايده آل اين نيروگاه برابر با :
( دماي بخار به كلوين ) / ( دماي آب به كلوين- دماي بخار به كلوين) = μ
بالاترين دمايي كه بخار را مي توان افزايش داد 370 درجه سانتي گراد و يا 643 = 370 + 273 درجه كلوين و كمترين دمايي كه اقتصادي باشد دماي محيط مي باشد . اگر در زمستان دماي کندانسور را تا 7 درجه سانتي گراد و يا 280 = 7 + 273 درجه كلوين پایین اورده شود بالاترين راندمان اين نيروگاه در صورت داشتن راندمان 100% تك تك اجزاي آن برابر با :
( دماي بخار به كلوين ) / ( دماي آب به كلوين- دماي بخار به كلوين) = μ
رسيدن به راندمان ايده آل نياز به پمپي دارد كه 210 آتمسفر كار كندیا فلزی که در دمای بالا و فشار بالایی را تحمل نمايد كه بسیار گران خواهد شد.پس در جاهایی که محدودیت قیمت و راندمان داریم راه دیگری باید انتخاب کنیم یکی از این راهها CHP ميباشد .
تعريـف CHP یا حرارت و توان ترکیبی :
به زبان ساده كنار آمدن با طبيعت و تلفيق استفاده از حرارت و قدرت در يك سيستم حرارتي را CHP مي گوييم و براي هر فضا و مكان نحوه استفاده خاصي را مي طلبد كه طراح بايد آنرا ببيند .
با استفاده از تجربيات عيني ، مثالهاي ملموسي براي طراحي بيان ميشود :
1- استفاده از حرارت اگزوز بويلر جهت مجتمع هاي مسكوني :
الف ) ديگ بخار : از دود ديگ بخار مي توان آبگرم مصرفي مجتمع و در تابستان آبگرم آبزوربشن را تامين نمود و يا در زمستان جهت آب كردن برف پشت بام استفاده كرد .
ب ) بويلر آبگرم : جهت آب كردن برف در زمستان و تامين قسمت اعظم آبگرم مصرفي مجتمع با قراردادن يك منبع ذخيره بزرگتر وتامین هواي گرم گلخانه مجتمع و حتي توليد بخار براي سوناي يك مجتمع .
2- ديگ بخار صنعتي
الف ) با ظرفيت كمتر از 5 تن
تهيه آبگرم صنعتي و بهداشتي
تهيه هواي گرم تميز براي گرم كردن محيط
پیش گرم کردن (اکونومایزر) آب ورودی دستگاه
ب ) با ظرفيت بيش از 5 تن
استفاده مشابه رديفهاي (1 ) به علاوه ايجاد يك بويلر آبگرم
افزایش دمای هوای ورودی بویلر
ج ) ديگ روغن داغ
استفاده جهت گرمايش محيط
در تابستان جهت خنك كاري امور اداري
ايجاد يك ديگ بخار كوچك
توليد هواي گرم براي مصارف خاص
د ) كوره هواي گرم
خـروجي هاي كــوره هاي هواي گــرم معمولاً داراي دماي بـالايي ميبـاشند . زيرا در اين دستـگاهها و دستگاههـاي
روغنداغ به دليل اينكه سيال عامل در دماهاي بالايي مورد استفاده قرارميگيرند به تبع دماي اگزوز نيز بالا خواهد بود
كه بشرح ذيل مورد بهره برداري قرار ميگيرد .
استفاده جهت گرمايش محيط
در تابستان جهت خنك كاري امور اداري و جاهاي مورد نياز
تهيه آبگرم مصرفي كارخانه
تهيه بخار براي مصارف خاص (مثلاً اتو بخار )
توليد هواي گرم با دماي پايين جهت خشك كنها و …
پيش گرم كردن آب ورودي ديگهاي بخار در صورت وجود
ايجاد آب شيرين كن براي مناطقي كه آب بهداشتي ندارند
كارخانجات غذايي براي خشك كردن مواد اوليه مي توانند استفاده كنند .
نيروگـــاه بـــرق
بحث اصلي CHP بيشتر جهت نيروگاههای برق میباشد.. زيرا اخيراً ساخت نيروگاههاي كوچك تا 25 مگاوات بسيار رواج پيدا كرده و دولت حاضر به خريد برق مازاد توليدي اين كارخانجات ميباشد . اگر از انرژی هدر رفته این نیروگاهها استفاده نشوداین نیروگاهها غیر اقتصادی میشوند . در حال حاضر روشهایی که میتوان از انرژی ضایعاتی این نیروگاهها استفاده کرده از اهمیت زیادی برخوردار میباشند بنابراین لازم است تولید کننده برق پراکنده از انحاء موارد استفاده آگاه گردد.
نيروگاههاي كوچك برق به 4 صورت اصلي هستند :
1- توربين بخار
2- توربين گاز
3- موتور احتراق داخلي
4- ترکیبی از توربین بخار و گاز
توربین بخار:
ابتدا آب با فشار زیاد به دیگ بخار پمپاز میگردد .در دیگ بخار اب تبخیر شده و دمای بخار به دمای بالاتر از دمای اشباع برده شده و سوپر هیت تولید میشود .بخارخشک حاصل وارد توربین شده و توسط ان محور یک ژنراتور برق به چرخش درآمده برق تولید میکند خروجی بخار توربین سپس وارد کندانسور شده و تقطیر میگرددو دوباره وارد سیکل پمپ میشود. در این نیروگاهها بهتر است از توربین های BACK PRESSUR استفاده کرد زیرا خروجی بخار این توربینها دارای فشار بوده و میتوانند یک کارخانه ای که به بخار فشار پایین نیاز دارد فرستاده شده و سپس خروجی تله بخار ها را جمع آوری و به پمپ برگردانده شود. این مبحث نکات بسیار ریز ودرشت داشته که در یک کتاب میتوان آنرا جمع آوری کرد.
توربین گاز:
توربین گاز همانند موتور یک هواپیمای جت میباشد. هوا ابتدا توسط کمپرسور تحت فشار واقع شده به داخل اتاق احتراق هدایت میشود گاز و یا سوخت وارد این اتاق شده با هواسوخته و گازهای داغ تولید میشود از انجا وارد یک توربین گاز شده و پره های انرا به حرکت در میاورد و وقتی از توربین خارج میشود دمایی حدود 600 الی 800 درجه سانتیگراد دارد .این هوای داغ بسیار پر انرژی و از مزایای آن کم بودن نسبت گاز دی اکسید کربن به اکسیزن میباشد و میتوان گفت گاز داغ اما پاک میباشد .
از معایب این نوع نیروگاه ها نياز به گاز طبيعي بصورت فشرده ( كمپرس شده ) ميباشد .
سیکل ترکیبی :
اگر گازهای خروجی توربین وارد مبدلی شود که بخار سوپر هیت تولید میکند و بخار سوپر هیت وارد توربین بخار گردد در آنصورت نیروگاه سیکل ترکیبی خواهد بود .
نیروگاه موتور درون سوز :
این نوع نیرو گاهها را میتوان اولین نیروگاه پراکنده نامید ، یک موتور احتراق داخلی با سوخت بنزین یا گازوییل و اخیرا گاز طبیعی محور یک ژنراتور را به گردش در آورده و برق تولید میکند. در دو نقطه از انرژی هدر رفته این موتور ها میتوان استفاده کرد اول استفاده از گرمای روغن موتور که توسط سيال آب گرفته میشود و دیگری استفاده از گازهای حاصل احتراق آن که داراي دمايي حدود 400 الی 600 درجه سانتیگراد ميباشد .نکته مهم در موتور های احتراقي با گاز طبیعی در داغتر بودن دمای خروجی گازها نسبت به گازوییل میباشد .
راندمان این نیروگاهها عموما 30 الی 40 درصد میباشد.یعنی بازای هر 100 کیلو و یا متر مکعب 30 الی 40 % ان انرژی مفید بوده و الباقی به هدر ميرود. در استفاده از انرژی هدر رفته هر کدام از این نیروگاهها روشهای مختلفی وجود دارد .
برای روشن شدن و درک ساده تر این انرژی به بيان چند مثال ميپردازيم .
1- هر متر مکعب گاز طبیعی 8500 الی 9500 کیلو کالری گرما تولید میکند.
2- یک بخاری گاز سوز خانگی 0.8 تا 1.2 متر مکعب در ساعت گاز میسوزاند.
3- بطور متوسط هر بخاری گازسوز 10 کیلو وات انرژی مصرف میکند.
4- ميانگين مصرف آبگرم یکنفر در شبانه روز معادل سوختن 2/0متر مکعب سوخت ميباشد .
5- ميانگين تعداد افراد هر خانواده ايراني 5 نفر ميباشد .
6- مصرف متوسط گاز جهت تهیه ابگرم بهداشتی در ایران یک متر مکعب بازای هر خانواده است.
7- هرده مترمربع از یک منزل مسکونی در زمستان از درمناطق سردسیر 15/0 متر مکعب گاز در ساعت نیاز دارد.
8- هر 1000 کیلو وات ( یک مگا وات ) برق تولیدی نیروگاهها 250 الی 320 متر مکعب گاز مصرف میکند.
9- هر 10 کیلووات برق 3 متر مکعب گاز نیاز دارد 1متر مکعب آن تبديل به برق مفيد شده و دو متر مکعب هدر میرود.
10- بسادگی میتوان از 2 متر مکعب گاز هدر رفته 5/1متر مکعب را بازیافت کرد.
11- از قدرت هدر رفته یک نیروگاه یک مگاواتی گرمایش ساختمان و مصرف ابگرم 150 خانواده را میتوان تامین کرد.
12- هوای خنک (ایر کاندیشن ) 100 آپارتمان را در مناطق گرمسیر را تامین میکند.
موارد فوق در خانواده میباشد و در اشل صنعتی :
از انرزی هدر رفته یک نیروگاه برق یک مگاواتی میتوان :
1- 2200 لیتر در ساعت اب مقطر از آب دریا تولید ميشود .
2- یک کارخانه توليد رب گوجه فرنگي با ظرفيت 5/0 تن در ساعت كار ميكند .
3- یک کارخانه متوسط پخت چوب خشک راه اندازی میشود.
4- یک دیگ بخار 2 تن بدست آورد.
5- یک دیگ آبداغ به قدرت 1400000 کیلو کالری بر ساعت راه اندازی کرد.
6- کارخانه شیر پاستوریزه به ظرفیت 20 تن شیر در روز راه انداخت.
7- CO2 تولیدی یک نیروگاه موتور درون سوزگاز دو کارخانه بزرگ نوشابه سازی را تامین میکند.
8- خروجی گاز یک نیروگاه یک مگاواتی گازی یک کارخانه بزرگ خشک کن میوه و سبزیجات راه اندازی کرد.
