مقاله اگزرژی و بازدهی فرآیندها (ترمودینامیک) در 9 صفحه ورد قابل ویرایش

مقدمه:

یکی از کاربردهای اساسی علم ترمودینامیک مطالعه بازدهی فرآیندها می باشد. در قدیم از دو روش استفاده از توازن انرژی درسیستم و محاسبه میزان کارایی مربوط به سیستم استفاده می شد. موازنه انرژی، با همه شکلهای انرژی به صورت یک معادله و دبون تمایز بین انواع مختلف انرژی سروکار داشت واطلاعاتی درباره تلفات داخلی به ما نمی داد. یک روش جدید ارزیابی سیستمها، روش اگزرژی می باشد که براساس تئوری اگزرژی بوده و به عنوان معیار جهانی پتانسیل کار با کیفیت شکلهای مختلف انرژی درباره یک محیط معین می باشد. پل تمام اجزای یک ماشین حرارتی، توزیع بازگشت ناپذیری درمیان اجزای ماشین وسهم هر کدام درکاهش بازده کلی ماشین را نشان می دهد. برخلاف معیارهای سنتی، ایده بازگشت ناپذیری براساس دو قانون اصلی ترمودینامیک می باشد و توازن اگزرژی از قانون اول و دوم ترمودینامیک حاصل شده است. اگر چه قانون دوم به طور مستقیم در روش اگزرژی استفاده نشده است. ولی کاربرد آن درتحلیل فرایند ها، یک مفهوم علمی از قانون دوم را شرح می دهد. بنابراین مطالعه شکلهای مختلف بازگشت ناپذیری و تأثیر آنها روی عملکرد یک ماشین حرارتی، اطلاعات بیشتر و مفیدتری نسبت به مطالعه و نتایج قانون دوم به ما می دهد.


مفهوم اگزرژی

با درنظرگرفتن کیفیت متغیر شکلهای مختلف انرژیهای بسامان و نابسامان در تحلیل ماشینهای حرارتی، یک استاندارد جهانی از کیفیت مورد نیاز می باشد. طبیعی ترین و مناسب ترین استاندارد کارحداکثر می باشد که می توان آنرا از شکل داده شده انرژی که از پارامترهای محیطی به عنوان حالت مرجع استفاده می کند، بدست آورد. این استاندارد از کیفیت انرژی «اگزرژی» نامیده می شود.

اگزرژی مربوط به انتقال کار:

از آنجاییکه ما کار را معادل با شکلی از انرژی به عنوان میزانی از اگزرژی آن تعریف می کنیم، واضح است که کار، معادل اگزرژی میباشد. بنابراین انتقال اگزرژی بوسیله مقدار و جهت انتقال کار مشخص می شود. و همان نماد w.w. برای آن استفاده می شود.

اگزرژی مربوط به انتقال حرارت:

اگزرژی انتقال حرارت درسطح کنترل را می توان از حداکثر کاری که می تواند با استفاده از محیط به عنوان منبع انرژی حرارتی بدست آورد تعریف کرد.

برای نرخ انتقال حرارت Qr و دمای سطح کنترل Tr، درجاییکه انتقال حرارت رخ می‌دهد، حداکثر نرخ تبدیل انرژی حرارتی به کار، به صورت زیر می باشد:

(1)



r دمای اگزورژیکی بدون بعد نامیده می شود. اگزورژی مربوط به انتقال حرارت، جریان اگزورژی حرارتی نامیده می شود ودر تحلیل سیستمها بوسیله مشخص می شود.

راندمان نسبی:

درقدیم از نسبت تبدیل انرژی برای ارزیابی ماشینهای توان استفاده می شد که شامل خروجی واقعی و خروجی ایده آل بود، مانند راندمان آیزنتروپیک، نسبت حرارتی و راندمان مکانیکی. درفرموله کردن این معیارها، همه شلکهای انرژی هم بها درنظر گرفته شده اند و نیازی به رجوع به قانون دوم نیست. پیشرفتهای اخیر در تحلیل اگزورژی اجازه تعریف معیار عملکرد جدید که دارای مزیتهایی نسبت به معیارهای سنتی باشد را میدهد.

آبگرمکنهای خورشیدی پرکاربردترین سیستمهای حرارتی خورشیدی در جهانند. اصلی‌ترین بخش آنها کلکتور خورشیدی است که انرژی تابشی خورشید را جذب کرده و به سیال عامل انتقال می‌دهد. استفاده از راندمان قانون اول ترمودینامیک به عنوان یکی از مهمترین پارامترها جهت معرفی و مقایسه‌ی سیستمهای حرارتی از جمله کلکتورهای خورشیدی به طور متداول مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حالیکه قانون اول ترمودینامیک به تنهایی قادر به بیان عملکرد کمی و کیفی این سیستمها نمی‌باشد. در این تحقیق مدلی تئوری و جامع برای تحلیل انرژی (قانون اول ترمودینامیک) و اگزرژی (قانون دوم ترمودینامیک) کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت و لوله‌ای خلاء با لوله حرارتی ارائه شده که در آن تاثیر مولفه‌های طراحی کلکتور روی عملکرد آن قابل بررسی است. پس از ارزیابی و تایید این مدل با استفاده از نتایج آزمایشات عملی به بررسی تاثیر پارامترهای طراحی مختلف روی راندمان انرژی و اگزرژی کلکتور پرداخته شده است.

فهرست:

چکیده. 1

مقدمه. 2

فصل اول: کلیات... 4

1-1) هدف.. 4

1-2) پیشینه‌ی تحقیق.. 4

1-3) روش کار و تحقیق.. 10

فصل دوم: کلکتورهای خورشیدی.. 12

2-1 ) کلکتور صفحه تخت... 12

2-1-1) ساختمان کلکتور صفحه تخت... 12

2-1-2) تاثیر آب و هوا بر کلکتور صفحه تخت 15

2-2 ) کلکتورهای لوله ای خلاء 15

2-2-1) انواع کلکتورهای لوله ای خلاء 16

2-3 ) کلکتورهای متمرکز کننده. 19

2-3-1 ) اجزای کلکتورهای متمرکز کننده 20

2-3-2 ) انواع کلکتورهای متمرکز کننده 20

فصل سوم : آبگرمکنهای خورشیدی.. 24

3-1 ) اجزای اصلی آبگرمکن های خورشیدی 25

3-1-1) کلکتور خورشیدی 25

3-1-2) مخزن ذخیره آب گرم.. 25

3-2-1 ) آبگرمکن خورشیدی ترموسیفونی 26

3-2-2) آبگرمکن های خورشیدی با سیستم های جابجایی اجباری 27

3-2-3) آبگرمکن های خورشیدی یکپارچه. 29

فصل چهارم : آنالیز قانون دوم ترمودینامیک... 31

4-1 ) انرژی و قانون اول ترودینامیک... 31

4-2) قانون دوم ترمودینامیک... 32

4-2-1) اگزرژی.. 33

4-2-2)اتلاف اگزرژی و تولید آنتروپی در فرایندهای ترمودینامیکی.. 38

فصل پنچم : آنالیز انرژی و اگزرژی کلکتورهای خورشیدی.. 41

5-1) کلکتور صفحه تخت... 41

5-1-1) آنالیز انرژی.. 41

5-1-2) آنالیز اگزرژی.. 44

5-2) کلکتور لوله‌ای خلاء با لوله حرارتی.. 47

5-2-1) تحلیل حرارتی.. 47

5-2-2) راندمان انرژی.. 52

5-2-2) راندمان اگزرژی.. 52

فصل ششم : نتیجه‌گیری و پیشنهادات... 54

6-1) ارزیابی عملی روابط تئوری.. 54

6-1-1) کلکتور صفحه تختف... 55

6-1-2) کلکتور لوله‌ای خلاء با لوله حرارتی.. 61

6-2) بررسی تاثیر تغییر پارامترهای طراحی بر عملکرد کلکتورها. 66

6-2-1) کلکتور صفحه تخت... 66

6-2-2) کلکتور لوله‌ای خلاء با لوله حرارتی.. 75

6-3) جمع بندی و پیشنهادات... 77

منابع و ماخذ. 78

فهرست منابع لاتین.. 78

سایتهای اطلاع رسانی.. 80

چکیده انگلیسی.. 81

صفحه عنوان انگلیسی 82

فهرست جدول‌ها

عنوان شماره صفحه

جدول 4-1) مقایسه بین انرژی و اگزرژی.. 34

جدول 6-1) مشخصات کلکتور صفحه تخت مورد استفاده جهت آزمایشات عملی.. 55

جدول 6-2) نتایج آزمایشات عملی کلکتور صفحه تخت... 56

جدول 6-3) مشخصات کلکتور لوله‌ای خلاء مورد استفاده در آزمایشگاه. 61

جدول 6-4) نتایج آزمایشات عملی و تئوری کلکتور لوله‌ای خلاء 62

فهرست نمودار‌ها

عنوان شماره صفحه

نمودار 6-1) تغییرات راندمان انرژی کلکتور صفحه تخت بر حسب در دبیهای مختلف.58

نمودار 6-2) تغییرات راندمان اگزرژی کلکتور صفحه تخت بر حسب در دبیهای مختلف.60

نمودار 6-3) تغییرات راندمان انرژی کلکتور لوله‌ای خلاء بر حسب در دبیهای مختلف.64

نمودار 6-4) تغییرات راندمان اگزرژی کلکتور لوله‌ای خلاء بر حسب در دبیهای مختلف.65

نمودار 6-5) تغییرات دمای صفحه جاذب بر حسب تغییرات و دبی جریان.. 67

نمودار 6-6) تغییرات راندمان انرژی کلکتور صفحه تخت بر حسب و دبی جریان ورودی به کلکتور.68

نمودار 6-7) تغییرات راندمان اگزرژی کلکتور صفحه تخت بر حسب و دبی جریان ورودی به کلکتور.69

نمودار 6-8) تغییرات راندمان انرژی و اگزرژی کلکتور را بر حسب تغییرات قطر لوله‌های داخلی کلکتور.70

نمودار 6-9) تغییرات راندمان انرژی کلکتور بر حسب ضخامت عایق پشت کلکتور.71

نمودار 6-10) تغییرات راندمان اگزرژی کلکتور بر حسب ضخامت عایق پشت کلکتور.71

نمودار 6-12) تغییرات راندمان اگزرژی کلکتور بر حسب سرعت وزش باد.72

نمودار 6-13) تغییرات راندمان انرژی کلکتور بر حسب ، برای سه سیال عامل مختلف.73

نمودار 6-14) تغییرات راندمان اگزرژی کلکتور بر حسب ، برای سه سیال عامل مختلف.74

نمودار 6-15) تغییرات راندمان انرژی کلکتور لوله‌ای خلاء بر حسب و دبی جریان ورودی به کلکتور.75

نمودار 6-16) تغییرات راندمان اگزرژی کلکتور لوله‌ای خلاء بر حسب و دبی جریان ورودی به کلکتور.76

فهرست شکل‌ها

عنوان شماره صفحه

شکل 2-1 ) کلکتور صفحه تخت 15

شکل 2-2) کلکتور لوله‌ای خلاء. 16

شکل 2-3 ) کلکتور لوله ای خلاء جریان مستقیم.. 17

شکل 2-5 ) کلکتور لوله ای خلاء با دو لوله‌ی شیشه‌ای.. 18

شکل 2-6) نمای شماتیک کلکتور لوله‌ای خلاء با لوله حرارتی.. 19

شکل 2-7) کلکتور سهموی خطی.. 21

شکل 2-8) کلکتور فرنل.. 22

شکل 3-1 ) ابگرمکن ترموسیفونی با کلکتور صفحه تخت... 26

شکل 3-2 ) آبگرمکن خورشیدی ترموسیفونی حلقه باز. 27

شکل 3-3) آبگرمکن خورشیدی با سیستم های جابجایی اجباری حلقه باز. 28

شکل 5-1) نمای شماتیک کلکتور صفحه تخت مورد بررسی.41

شکل 5-2) لوله حرارتی در حالت افقی.. 48

شکل 5-3) کلکتور لوله‌ای خلاء با لوله حرارتی مورد بررسی.. 49

شکل 5-4) مدل الکتریکی انتقال حرارت در کلکتور لوله خلاء با لوله حرارتی.49

شکل 6-1) تجهیزات مورد استفاده در آزمایشگاه انرژی خورشیدی.. 54