Ҳисобкунии самаранокии гармӣ дар муҳаррикҳои буғии муосир
Моторҳои буғӣ аксар вақт технологияи "классикӣ"-и Инқилоби саноатӣ ҳисобида мешаванд. Аммо, принсипҳо ва таҳияҳои онҳо имрӯз ҳам муҳим боқӣ мемонанд, махсусан дар нерӯгоҳҳои барқии ангиштӣ (PLTU), дастгоҳҳои гармидиҳӣ ва нерӯи барқи муштарак (CHP) ва системаҳои турбинаҳои буғӣ дар саноати коркард. "Моторҳои буғии муосир" ба системаҳои истеҳсоли нерӯи барқ дар асоси давраи Ранкин ишора мекунанд, ки нисбат ба муҳаррикҳои буғии анъанавии мутақобила хеле самараноктаранд ва аз фишор ва ҳарорати баланд, супергармкунакҳо, гармкунакҳои дубора ва гармкунии барқароркунанда тавассути гармкунакҳои оби ғизоӣ истифода мебаранд. Барои фаҳмидани кори ин системаҳо, яке аз параметрҳои калидӣ, ки ҳамеша ҳисоб карда мешавад, самаранокии гармӣ мебошад.
1. Консепсияи асосии самаранокии гармӣ
Самаранокии гармии муҳаррики буғӣ нишон медиҳад, ки чӣ қадар энергияи гармии воридшаванда (аз сӯхтани сӯзишворӣ ё манбаи гармӣ) бомуваффақият ба кори муфид табдил меёбад, ки одатан дар шакли қувваи меҳвари турбина ё қувваи барқи генератор ба даст меояд. Умуман, самаранокии гармӣ чунин муайян карда мешавад:
\[
\eta_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]
Ди мана:
– \( W_{net} \) кори софи давра аст (кори турбина тарҳи кори насос).
– \( Q_{in} \) вуруди гармӣ ба давра аст, ки одатан дар дегхона ва/ё супергармкунак ба амал меояд.
Дар давраи идеалии Ранкин, ҷузъҳои асосӣ насос, дегхона, турбина ва конденсаторро дар бар мегиранд. Буғ ба фишори баланд (оби ғизоӣ) интиқол дода мешавад, ба буғ (сершуда ё аз ҳад зиёд гармшуда) гарм карда мешавад, дар турбина васеъ карда мешавад, то кор ҳосил шавад ва сипас пеш аз ворид шудан ба насос дар конденсатор ба моеъ табдил меёбад. Самаранокии гармӣ ченаки асосии он аст, ки муҳаррики буғӣ то чӣ андоза энергияи гармиро самаранок истифода мебарад.
2. Сикли идеалӣ ва воқеии Ранкин
Дар ҳисобҳои ибтидоӣ, муҳандисон аксар вақт аз давраи идеалии Ранкин барои ба даст овардани тасаввурот дар бораи ҳадди болоии самаранокӣ оғоз мекунанд. Фарзияҳои идеалӣ одатан инҳоянд:
1. Раванди насос ва турбинаи изентропӣ (беталафот).
2. Дар дегхона, қубурҳо, гармкунаки супергармкунанда, гармкунаки такрорӣ ва конденсатор пастшавии фишор вуҷуд надорад.
3. Талафоти гармӣ ба муҳити зист вуҷуд надорад.
4. Конденсатсия ва гармкунӣ дар фишори доимӣ сурат мегирад.
Дар шароити воқеӣ, ин фарзияҳо пурра қонеъ карда намешаванд. Талафоти соиш, талафоти фишор ва самаранокии изентропии насосҳо ва турбинаҳо камтар аз 100% мебошанд. Аз ин рӯ, самаранокии воқеии гармӣ ҳамеша аз арзиши идеалӣ пасттар аст ва ҳисобҳо бояд параметрҳоеро ба монанди инҳо дар бар гиранд:
– Самаранокии изентропии турбина (\(\eta_t\))
– Самаранокии изентропии насос (\(\eta_p\))
– Талафоти гармӣ (талафоти гармӣ)
– Коҳиши фишор
3. Қадамҳои ҳисобкунии самаранокии гармӣ (Чаҳорчӯбаи умумӣ)
Барои ҳисоб кардани самаранокии гармии муҳаррики буғии муосир (дар асоси Ранкин), қадамҳои умумӣ инҳоянд:
а) Муайян кардани нуқтаҳои ҳолатӣ
Одатан чунин қайд карда мешавад:
1. Баромадгоҳи конденсатор / вуруди насос (моеъи сершуда дар фишори конденсатор)
2. Вуруди насос / вуруди дегхона (оби бо фишори баланд таъминшаванда)
3. Баромадгоҳи дегхона/супергармкунак/вуруди турбина (буғи хушки сершуда ё аз ҳад зиёд гармшуда)
4. Баромади турбина / вуруди конденсатор (омехтаи буғ-оби буғ ё нами аз ҳад зиёд гармшуда)
Дар давраҳои бо гармкунакҳои аз нав гармкунӣ ва регенератсия, шумораи нуқтаҳои ҳолат зиёд мешавад. Моторҳои буғии муосир дар нерӯгоҳҳои калон одатан марҳилаҳои сершумори истихроҷи турбинаҳо ва гармкунакҳои оби ғизоӣ доранд, ки таҳлилро мураккабтар мекунад, аммо принсип ҳамон тавр боқӣ мемонад: тавозуни энергияро дар ҳар як ҷузъ иҷро кунед.
б) Маълумоти хосияти термодинамикиро гиред
Хусусиятҳои асосии зарурӣ:
– Энтальпия (\(h\)) дар ҳар як нуқта
– Энтропия (\(s\)) барои равандҳои изентропӣ
– Фишор (\(P\)) ва ҳарорат (\(T\))
– Сифати буғ (\(x\)) ҳангоми дар минтақаи дуфаза будан
Ин маълумот одатан аз ҷадвалҳои Steam ё нармафзор (EES, REFPROP, Aspen ё ҳисобкунакҳои хосияти IAPWS/IF97) гирифта мешавад.
в) Кори насосро ҳисоб кунед
Кори идеалии насосро метавон чунин ҳисоб кард:
\[
W_p \approx v_f (P_2 – P_1)
\]
ки дар он \(v_f\) ҳаҷми хоси моеъ (м³/кг) дар даромадгоҳи насос мебошад. Барои насоси воқеӣ:
\[
W_{p,actual} = \frac{W_{p,ideal}}{\eta_p}
\]
Сипас энтальпия аз насос баромад мекунад:
\[
h_2 = h_1 + W_{p,actual}
\]
г) Гармии воридшударо дар дегхона ҳисоб кунед
Вуруди гармӣ умуман:
\[
Q_{in} = h_3 – h_2
\]
Агар гармкунаки супергармкунанда мавҷуд бошад, арзиши \(h_3\) энталпияи буғи супергармшуда дар даромадгоҳи турбина мебошад. Агар гармкунаки дубора мавҷуд бошад, вуруди иловагии дуюми гармӣ мавҷуд аст:
\[
Q_{дар маҷмӯъ} = (h_3 – h_2) + (h_5 – h_4)
\]
(вобаста ба рақамгузории нуқтаҳо дар диаграмма).
д) Кори турбинаро ҳисоб кунед
Барои турбинаи идеалӣ (изентропӣ), \(s_3 = s_{4s}\) ва \(h_{4s}\) аз ҷадвал гирифта шудааст. Барои турбинаи воқеӣ:
\[
\eta_t = \frac{h_3 – h_{4,actual}}{h_3 – h_{4s}}
\Rightarrow h_{4,actual} = h_3 – \eta_t (h_3 – h_{4s})
\]
Кори турбина:
\[
W_t = h_3 – h_{4, воқеӣ}
\]
Агар якчанд марҳилаҳои васеъкунӣ ё гармкунии дубора мавҷуд бошанд, кори умумии турбина ба ҷамъи ҳар як марҳила баробар аст.
е) Кори холис ва самаранокии гармиро ҳисоб кунед
\[
W_{net} = W_t – W_p
\]
\[
\eta_{th} = \frac{W_{net}}{Q_{in}}
\]
Ин нуқтаи асосии ҳисобкунии самаранокии гармии давра аст.
4. Мисоли тасвирӣ (оддӣ)
Фарз мекунем, ки як давраи оддии муосири Ранкин дорои маълумот (дар шакли энтальпия) мебошад, ки аллакай аз ҷадвалҳои буғӣ гирифта шудааст ва самаранокии ҷузъҳоро ба назар мегирад:
– \(h_1 = 191 \, \text{kJ/kg}\) (моеъи сершуда, ки аз конденсатор мебарояд)
– \(h_2 = 200 \, \text{kJ/kg}\) (баромади насос, воқеӣ)
– \(h_3 = 3500 \, \text{kJ/kg}\) (буғи аз ҳад зиёд гармшуда ба турбина ворид мешавад)
– \(h_4 = 2400 \, \text{kJ/kg}\) (баромади турбина, воқеӣ)
Пас:
– Кори турбина: \(W_t = 3500 – 2400 = 1100 \, \text{kJ/kg}\)
– Кори насос: \(W_p = 200 – 191 = 9 \, \text{kJ/kg}\)
– Кори соф: \(W_{net} = 1100 – 9 = 1091 \, \text{kJ/kg}\)
– Вуруди гармӣ: \(Q_{in} = 3500 – 200 = 3300 \, \text{kJ/kg}\)
Самаранокии гармӣ:
\[
\eta_{th} = \frac{1091}{3300} = 0.331 \тақрибан 33.1\%
\]
Ин арзиш барои давраи нисбатан хуби Ранкин мувофиқ аст, аммо нерӯгоҳҳои барқии ултра-фавқуттаҳқиқотии муосир метавонанд ҳангоми баррасӣ ҳамчун самаранокии холиси нерӯгоҳ баландтар бошанд (гарчанде ки аз талафоти борҳои дегхона, конденсатор ва ёрирасон таъсир мебинанд).
5. Омилҳое, ки самаранокии муҳаррикҳои буғии муосирро афзоиш медиҳанд
а) Ҳарорат ва фишори буғеро, ки ба турбина ворид мешавад, зиёд кунед
Ҳар қадар ҳарорати миёнаи иловаи гармӣ баландтар бошад, самаранокӣ ҳамон қадар баландтар аст (мувофиқи принсипи Карно). Технологияҳои фавқуттаҳқиқӣ ва ултрафавқуттаҳқиқӣ имкон медиҳанд, ки дар фишорҳо аз нуқтаи интиқодии об (22,1 МПа) болотар кор кунанд ва талафоти марбут ба тағирёбии фазаро кам кунанд ва самаранокиро афзоиш диҳанд.
б) Паст кардани фишори конденсатор (чангкашаки беҳтар)
Паст кардани фишори конденсатор диапазони васеъшавии турбинаро зиёд мекунад ва бо ин васила кори турбинаро беҳтар мекунад. Аммо, ин бо ҳарорати оби хунуккунӣ, андозаи конденсатор ва хатари сатҳи баланди намӣ дар марҳилаҳои ниҳоии турбина маҳдуд аст.
в) Давраи гармкунӣ
Гармкунаки дубора буғро пас аз васеъшавии қисман дубора гарм мекунад ва сипас онро дубора васеъ мекунад. Натиҷа самаранокии баланд ва сатҳи намӣ дар баромадгоҳи турбина пасттар мешавад (барои парҳои турбина бехатартар аст).
г) Барқарорсозӣ (Гармкунии оби ғизоӣ)
Бо гирифтани каме буғ аз турбина барои гарм кардани оби ғизоӣ, дегхона барои расидан ба нуқтаи ҷӯшидан ба миқдори зиёд гармӣ додан лозим нест. Регенератсия самаранокии даврро беҳтар мекунад, гарчанде ки он бори кори турбинаро кам мекунад, зеро баъзе буғҳо дар фишори паст кор эҷод намекунанд.
6. Фарқи байни самаранокии гармии даврӣ ва самаранокии истеҳсоли
Муҳим аст, ки фарқ кунед:
– Самаранокии гармии давраи Ранкин: бар асоси \(W_{net}/Q_{in}\) дар ҷузъҳои давра.
– Самаранокии истеҳсоли соф: талафоти сӯзишворӣ, самаранокии дегхона, талафоти генератор, борҳои ёрирасон (насосҳо, вентиляторҳо, конвейерҳо) ва талафоти интиқоли дохилиро ба назар мегирад.
Дар нерӯгоҳҳои барқии бо ангишт коркунанда, самаранокии дегхонаҳо ва талафоти система метавонанд назаррас бошанд. Аз ин рӯ, ҳатто агар самаранокии гармии давра баланд ба назар расад ҳам, самаранокии умумии соф метавонад пасттар бошад.
7. Хулоса
Ҳисобҳои самаранокии гармӣ дар муҳаррикҳои буғии муосир асосан ба тавозуни энергияи давраи Ранкин асос ёфтаанд: ҳисоб кардани кори турбина, кори насос ва воридоти гармӣ ба дегхона (ва гармкунак, агар мавҷуд бошад). Калиди дақиқӣ муайян кардани дақиқи нуқтаҳои ҳолат ва хосиятҳои термодинамикӣ (энтальпия, энтропия, сифати буғ), инчунин дохил кардани шароити воқеӣ ба монанди самаранокии изентропӣ ва пастшавии фишор мебошад. Самаранокии гармӣ нишондиҳандаи асосии кори система ва асос барои арзёбии беҳсозӣ ба монанди афзоиши ҳарорат/фишор, гармкунии дубора, барқарорсозӣ ва такмили конденсатор мебошад.
Агар шумо хоҳед, ман метавонам як мисоли ҳисобкунии "муосиртар"-ро (масалан, давраи гармкунии дубора + 1-2 гармкунаки оби ғизоӣ) бо ҷадвалҳои нуқтаҳои ҳолат ва диаграммаҳои Ts илова кунам, то ба омӯзиши воқеии парвандаи PLTU наздик шавам.
