در چرخۀ نظری اتو در نمودار حجم – فشار مشاهده می‌شود. همان طور که از این شکل مشخص است این چرخه شش مرحله دارد:
شکل ‏۱‑۴ – چرخۀ نظری اتو [۲۶]
الف) مکش ( نقطۀ ۶ تا ۱): این فرایند در بررسی نظری، فشار ثابت فرض می‌شود و از موقعیت سنبه^[۴] در نقطۀ مکث بالا شروع و به نقطۀ مکث پایین ختم می‌شود. در این حالت دریچۀ دود بسته و دریچۀ هوا باز است.
البته در موتور، این فرایند فشار ثابت نیست و در واقع فشار هوا در عبور از چند‌راهه و دریچۀ هوا افت می‌کند. دریچۀ هوا نیز کمی قبل از نقطۀ مکث بالا باز و کمی بعد از نقطۀ مکث پایین بسته می‌شود. علاوه بر این هنگام عبور جریان، دمای هوا نیز گرمتر می‌شود.
ب) تراکم (نقطۀ ۱ تا ۲): این فرایند از نقطۀ مکث پایین سنبه شروع و به نقطۀ مکث بالا ختم می‌شود. هرچند در موتور واقعی این فرایند با انتقال حرارت همراه است ولی در چرخۀ نظری، بازگشت‌پذیر و بی در رو فرض می‌شود.
ج) احتراق (نقطۀ ۲ تا ۳): در این فرایند که در چرخۀ نظری حجم ثابت (آنی) فرض می‌شود به گازهای داخل محفظۀ احتراق گرما داده می‌شود. در موتور، این فرایند آنی نیست و برای محترق کردن مخلوط سوخت و هوا، قبل از نقطۀ مکث بالا، جرقه زده می‌شود و احتراق پس از این نقطه به اتمام می‌رسد.

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

د) کاردهی (نقطۀ ۳ تا ۴): در اثر افزایش دما، گازهای داخل محفظۀ احتراق منبسط می‌شوند و سنبه را به پایین می‌رانند. این فرایند در واقعیت با انتقال حرارت همراه است ولی در چرخۀ نظری فرایندی بی در رو و بازگشت پذیر فرض می‌شود.
ه) خنک‌کاری هم حجم: در چرخۀ نظری فرض می‌شود گازهای داخل محفظۀ احتراق در پایان مرحلۀ کاردهی یا انبساط به صورت حجم ثابت تا دمای محیط خنک می‌شوند. در عمل نیز با باز شدن دریچۀ دود، چون فشار داخل محفظۀ احتراق از فشار جو بیشتر است، مقداری از گازهای داخل محفظۀ احتراق بیرون می‌روند.
و) تخلیه (نقطۀ ۵ تا ۶): با بالا آمدن سنبه از نقطۀ مکث پایین تا نقطۀ مکث بالا، گازهای داخل محفظۀ احتراق به بیرون رانده می‌شود. در چرخۀ نظری این فرایند به صورت فشار ثابت و در فشار جو انجام می‌شود ولی در چرخۀ واقعی هیچ‌گاه به فشار جو نمی‌رسد. [۲]
چرخۀ اشتعال تراکمی (موتورهای دیزلی)
چرخۀ اشتعال تراکمی یا چرخۀ دیزل^[۵] نیز همان شش مرحلۀ چرخۀ اتو را دارد و تفاوت این دو چرخه در فرایند احتراق است. نمودار نظری چرخۀ دیزل در دیده می‌شود. در چرخۀ نظری دیزل، در پایان مرحلۀ تراکم (نقطۀ ۲) پاشش سوخت آغاز می‌شود و در حالی که سنبه در حال حرکت به سمت پایین است، در فرایندی فشار ثابت، مخلوط سوخت و هوا محترق می‌شود (از نقطۀ ۲ تا ۳).
شکل ‏۱‑۵ – چرخۀ نظری دیزل [۲۶]
با دو روش می‌توان بازده چرخۀ دیزل و چرخۀ اتو را مقایسه کرد. در روش اول، نسبت‌ تراکم دو چرخه را مساوی قرار می‌دهیم و بازده هر یک از چرخه‌ها را اندازه می‌گیریم. در این روش چون احتراق در چرخۀ اتو، حجم ثابت است، بیشینۀ فشار در آن چرخه بیشتر از چرخۀ دیزل خواهد بود و در نتیجه مساحت چرخۀ اتو بیشتر از چرخۀ دیزل خواهد شد. افزایش مساحت چرخه به معنای دریافت کار بیشتر از سیال و طبعاً بازده بیشتر است.
در روش دوم، بیشینۀ فشار دو چرخه را مساوی قرار می‌دهیم. در این حالت چرخۀ دیزل می‌تواند نسبت تراکم بمراتب بزرگتری نسبت به چرخۀ اتو داشته باشد و مساحت چرخۀ دیزل بزرگتر از چرخۀ اتو خواهد شد و در نتیجه بازده چرخۀ دیزل بزرگتر از چرخۀ اتو می‌شود.
در عمل بیشنیۀ فشار چرخه، محدود کنندۀ طراحان موتورهای دیزلی و بنزینی است. با افزایش نسبت تراکم در موتورهای بنزینی، خود اشتعالی مخلوط سوخت و هوا پیش از جرقۀ شمع و پدیده‌ای به نام کوبش^[۶] اتفاق می‌افتد. به همین دلیل بازده عملی موتورهای دیزلی جدید معمولاً بیش از ۴۰% است و بعضاً به ۵۰% نیز می‌رسد در حالی که بازده موتورهای بنزینی بزحمت از ۳۵% بزرگتر می‌شود.
چرخۀ برایتون (توربین گاز)
چرخۀ برایتون^[۷] یا چرخۀ توربین گاز نیز مانند چرخه‌های موتورهای رفت و برگشتی همان چهار مرحلۀ اصلی را دارد ولی احتراق در این چرخه داخل محفظۀ احتراق بسته انجام نمی‌شود.
در چرخۀ برایتون در نمودارهای انتروپی – دما و فشار – حجم مخصوص مشاهده می‌شود. فرایند ۱-۲، کاری که کمپرسور روی هوا انجام می‌دهد را نشان می‌دهد. در فرایند ۲-۳ دمای گاز افزایش می‌یابد و در فرایند ۳-۴، گاز روی توربین کار انجام می‌دهد و فشارش کم می‌شود. در فرایند ۴-۱ نیز گاز تا دمای اولیه سرد می‌شود.
چرخۀ توربین گاز معمولاً باز است و از یک طرف هوا وارد توربین و از طرف دیگر محصولات احتراق خارج می‌شوند. در این حالت چون محصولات احتراق مستقیماً با پره‌های توربین برخورد خواهند کرد، کیفیت و نوع سوخت مصرفی در عمر این پره‌ها بسیار مهم خواهد بود.
اگر به جای سوزاندن سوخت در داخل محفظۀ احتراق، منبع گرمایی دیگری استفاده شود، می‌توان از چرخۀ بستۀ توربین گاز نیز استفاده کرد. در این حالت به دو مبدل حرارتی نیاز است. یکی در فرایند ۲-۳ به سیال گرما می‌دهد و دیگری در فرایند ۴-۱ حرارت را از سیال می‌گیرد. این طرح در مواردی که سوخت‌های پست مانند مازوت و زغال سنگ یا منابع دیگر انرژی مانند انرژی هسته‌ای در دسترس است استفاده می‌شود. در نمایی از چرخۀ باز و بستۀ توربین گاز دیده می‌شود.
طراحی و ساخت توربین گاز پیچیدگی‌های زیادی دارد. مقدار زیادی از گشتاور توربین، صرف گرداندن کمپرسور می‌شود و اگر کمپرسور بازده مناسبی نداشته باشد، عملاً کار خالص خروجی از توربین گاز ناچیز خواهد بود. بازده توربین‌های گاز معمولاً از ۳۵% تجاوز نمی‌کند.
شکل ‏۱‑۶ – چرخۀ برایتون در نمودارهای انتروپی – دما و فشار – حجم مخصوص [۲۶]
شکل ‏۱‑۷ – چرخۀ باز (شکل سمت راست) و بستۀ (شکل سمت چپ) توربین گاز [۲۶]
یکی دیگر از مشکلات توربین‌های گاز تأثیر بسیار زیاد دما و فشار محیط بر عملکرد و بازده آن‌هاست به‌طوری که با گرم‌ شدن بیست درجۀ سانتیگرادی دمای محیط، حدود ۱۵% از حداکثر توان قابل انتظار از توربین گاز کاسته می‌شود.

شکل ‏۱‑۸ – تأثیر فشار محیط و ارتفاع بر عملکرد توربین گازV94.2 [5]

شکل ‏۱‑۹ – تأثیر دمای محیط بر عملکرد توربین گاز V94.2 [5]
در برخی موارد از دود خروجی از توربین گاز که انرژی حرارتی زیادی نیز دارد برای چرخۀ رانکین (چرخۀ بخار) استفاده می‌شود که به مجموعۀ این دو، چرخۀ ترکیبی می‌گویند.
چرخۀ رانکین (نیروگاه بخار)
چرخۀ رانکین^[۸] یا چرخۀ بخار، چرخۀ اصلی نیروگاه‌های بخار است. برخلاف سه چرخۀ گذشته که سیال در تمام فرایند‌ها حالت گازی داشت، در این چرخه، از آب (مادون سرد و اشباع) و بخار (اشباع و مافوق گرم) استفاده می‌شود. البته همچنان فرایند‌های این چرخه نیز همان چهار فرایند اصلی تمام چرخه‌های مولد کار است. در نمایی از چرخۀ نظری رانکین در نمودار انتروپی- دما مشاهده می‌شود.
در نقطۀ ۱، آب به صورت مایع اشباع وارد تلمبه^[۹] می‌شود (در واقعیت، آب مادون سرد وارد تلمبه می‌گردد.) و در فرایند بی در رو و برگشت‌پذیر ۱-۲، فشارش از فشار ضعیف به فشار قوی می‌رسد. آب در نقطۀ ۲ وارد دیگ بخار^[۱۰] می‌شود و پس از تبخیر، به بخار مافوق گرم تبدیل می‌شود تا در فشار ثابت (فشار قوی) به نقطۀ ۳ برسد. بخار مافوق گرم وارد توربین می‌شود و فشارش پس از انبساط و کاهش دما در فرایند بی در رو و بازگشت‌پذیر ۳-۴، به فشار ضعیف می‌رسد. در این فرایند بخار مافوق گرم به بخار اشباع تبدیل می‌شود. بخار اشباع به چگالنده^[۱۱] فرستاده می‌شود تا حرارت آن گرفته شود و تقطیر شود و به شرایط نقطۀ ۱ یعنی مایع اشباع برسد.
شکل ‏۱‑۱۰ – چرخۀ نظری رانکین در نمودار انتروپی- دما [۲۶]
یکی از مزایای بسیار مهم چرخۀ رانکین، قابلیت استفاده از انواع مختلف سوخت است. سوختن سوخت‌های جامد مانند زغال سنگ، سوخت‌های پست مانند مازوت یا نفت کوره، سوخت‌های مرغوب مانند گاز طبیعی و گازوئیل و حتی انرژی حاصل از شکافت یا گداخت هسته‌ای می‌تواند منبع گرمایی دیگ بخار باشد.
بازده چرخۀ رانکین به دما و فشار بخار در نقطۀ ۳ و فشار چگالنده (فشار در نقطۀ ۴) بستگی دارد. هرچه دمای بخار مافوق گرم ورودی به توربین بیشتر باشد، کار بیشتری می‌توان از آن گرفت و بازده افزایش می‌یابد. ولی محدودیت‌های مکانیکی مانند محدودیت کاری پره‌های توربین در دما‌های بسیار گرم باعث می‌شود افزایش دما محدود شود.
فشار چگالنده نیز تأثیر بسیار زیادی بر بازده چرخه دارد. هرچه این فشار کمتر باشد، بخار در پره‌های انتهایی توربین بیشتر منبسط می‌شود و کار بیشتری از آن گرفته می‌شود. برای کاهش فشار چگالنده باید دمای آن را کاهش داد. برای خنک کردن سیال چرخه در چگالنده از سیال دیگری استفاده می‌شود که آن نیز معمولاً آب است. این آب در چرخۀ دیگری حرارت را از آب چرخۀ اصلی می‌گیرد و در برج خنک‌کن به محیط منتقل می‌کند. در واقع دمای محیط، تعیین کنندۀ دمای چگالنده و در نتیجه فشار آن است.
بازدۀ نظری نیروگاه‌های بخار جدید به ۵۰% نیز می‌رسد ولی در عمل و با توجه به شرایط محیط، بازده متوسط نیروگاه معمولاً از ۴۵% تجاوز نمی‌کند.
سامانه‌های تولید همزمان
یکی از راهکارهایی که نقش چشمگیری در کاهش مصرف حامل‌های اولیه برای تأمین نیاز انرژی شهرها دارد، یکپارچه سازی سامانه‌های انرژی است. تحلیل اگزرژی شهرهای بزرگی مانند لندن و وین نشان می‌دهد تنها ۱۰ تا ۲۰% از انرژی سوخت به صورت کار (برق) استحصال می‌شود و بقیۀ انرژی تلف یا به صورت گرمای غیر داغ (با اگزرژی کم) مصرف می‌شود. فناوری‌های تولید همزمان از سه جهت باعث کاهش مصرف حامل‌های اولیۀ انرژی می‌شود: ۱-افزایش بازده در ابزارهای تولید توان، ۲- کاهش اتلافات انتقال و توزیع و ۳-بازیابی گرمای دفع شده به محیط در موتور یا توربین گاز برای مصارف گرمایشی.
از ابزارهای تولید توان که در بخش ‏۳.۳.۲ معرفی شد می‌توان در سامانه‌های تولید همزمان استفاده کرد. در فرایند ترمودینامیکی این ابزارها، سیال با بهره گرفتن از بخشی از انرژی خود که از احتراق حاصل شده است، کار انجام می‌دهد و بخشی دیگر از انرژی را به صورت اتلاف حرارتی به محیط منتقل می‌کند. هدف سامانه‌های تولید همزمان، بازیابی این حرارت اتلافی و به کار گیری آن برای رفع نیازهای گرمایی (یا سرمایی) است.
سامانۀ تولید همزمان برق و حرارت جزو راهکارهایی است که از سال‌های گذشته برای افزایش انرژی قابل استحصال از سوخت‌های سنگواره‌ای به کار برده می‌شود. در این روش اولویت اول تولید انرژی مرغوب (برق) از سوخت است و از گرمایی که همزمان با استحصال کار، تولید و باید به محیط منتقل شود برای مصارف گرمایشی، خصوصاً مصارفی که به دمای داغ نیاز ندارد، استفاده می‌شود. [۲۷] در سامانۀ تولید همزمان، نیروگاه برق، باید در نزدیکی محل مصرف گرما احداث شود به همین دلیل این نیروگاه‌ها، جزو نیروگاه‌های تولید پراکنده طبقه بندی می‌شوند. گرمای این سامانه از دود، سیال خنک‌کن موتور، روغن و… بازیافت و از طریق سیال واسط به محل مصرف منتقل می‌شود.
شکل ‏۱‑۱۱ ترازنامه حرارتی سامانۀ تولید همزمان برق و گرما برای تولید آب گرم مصارف حرارتی مسکونی [۳]
شکل ‏۱‑۱۲ – مجموعۀ تولید همزمان برق و گرما برای تولید آب گرم مصارف حرارتی مسکونی [۳]
نیروگاه‌های تولید همزمان متعددی در کشور راه‌اندازی و بهره‌برداری شده اند. نیروگاه تولید همزمان دانشگاه کاشان (که با سرمایه‌گذاری شرکت بهینه سازی مصرف سوخت ساخته شده است) یکی از نیروگاه‌هایی است که به عنوان نمونه^[۱۲] اجرا شده است. نیروگاه طرشت در شهر تهران نمونۀ دیگری است که برق تولیدی خود را به شبکۀ سراسری و حرارت سامانۀ خنک‌کاری موتور را به استخر مجموعۀ ورزشی طرشت منتقل می‌کند. نیروگاه مجموعۀ وزارت نیرو، برق ساختمان و بخشی از حرارت مورد نیاز مجموعه را تأمین می‌کند. در کارخانه‌هایی مانند شرکت پاکسان نیز برق و حرارت نیروگاه تولید همزمان در بخش‌های مختلف کارخانه مصرف می‌شود.
در بسیاری از کشورها، سامانه‌های تولید همزمان کاملاً تجاری شده است. مثلاً هلند در سال ۲۰۰۷ %۳۰ از تولید برق و % ۲۰ از نیاز حرارتی خود را از طریق تولید همزمان برق و حرارت تأمین کرده است. آلمان نیز به ترتیب % ۱۳ و % ۱۴ از برق و گرمای مورد نیاز خودرا از این واحدها تأمین می کند و که طبق برنامه‌ریزی تا سال ۲۰۲۰ سهم تولید برق از این سامانه‌های به ۲۵ % خواهد رسید. [۴]
در کشور دانمارک که یکی از پیشروان در تولید همزمان برق و حرارت است تولید برق از حالت متمرکز با نیروگاه‌های بزرگ در فاصله ۲۵ سال از ۱۹۸۰ تا ۲۰۰۵ همواره در حال کاهش بوده و ۹۹.۴ درصد رشد منفی داشته است. همینطور واحدهای بزرگ تولید همزمان برق و حرارت نیز کاهش ۷.۱۹ درصدی در این دوره دارد. در عوض واحدهای کوچک تولید همزمان برق وحرارت رشدی به میزان ۲۰۶۸ درصد یعنی بیش از بیست برابر در این دوره داشته است. همینطور تولید کنندگان برق و حرارت خود مصرف، ۳۹۲ درصد رشد داشته است. [۴]
فصل دوم
ادبیات و پیشینۀ تحقیق
مقدمه
برای مصرف‌کنندگان متمرکز، مانند کارخانه‌ها یا شهرک‌های خارج از شهر، بهینه‌یابی تولید همزمان با روش‌های مختلف و شناخته‌ شده‌ای اجرا می‌شود و معمولاً محدودیت‌های کمتری برای به کارگیری این سامانه وجود دارد. [۲۷] ولی در شهرها، محدودیت‌های مختلفی مانند کمبود فضا برای احداث نیروگاه، محدودیت‌های انتشار آلایندگی و سر و صدا، عدم تناسب در مصرف همزمان برق و گرما، نیاز به باز طراحی سامانۀ انرژی شهری برای تحقق بازده بهینه و…، دستیابی به سامانۀ جامع شهری بر مبنای تولید همزمان را با دشواری‌هایی مواجه کرده است.