وبلاگ

:
آنالیز اگزرژی یک روش آنالیز ترمودینامیکی است که بر اساس قانون دوم ترمودینامیک بوده و به صورت بسیار معنا دار و منطقی یک روش ثانوی و روشنگرانه جهت ارزیابی و مقایسه فرایندها و سیستم­ها ارائه می­ کند. به ویژه آنالیز اگزرژی منجر به ارائه راندمان­هایی می­ شود که مقیاس درستی از اینکه چگونه عملکرد واقعی به عملکرد ایده­آل نزدیک می­ شود، ارائه می­ کند و همچنین نسبت به آنالیز انرژی، دلایل و مکان­های افت­های ترمودینامیکی را به صورت بسیار شفاف­تر بیان می­ کند. بنابراین آنالیز اگزرژی می ­تواند به بهبود و بهینه سازی طراح­ها کمک کند.
در سال­های اخیر شاهد افزایش کاربرد و درک سودمندی روش آنالیز اگزرژی توسط صنعتگران، دولت­ها و دانشگاهیان بوده­ایم. همچنین روش آنالیز اگزرژی به سرعت در حال جهانی شدن است و امید است با به کار گیری این روش، از منابع انرژی موجود حداکثر بهره برداری صورت گیرد.
1-1- چرا آنالیز انرژی و اگزرژی؟
ترمودینامیک به توصیف رفتار، عملکرد و راندمان سیستم­ها در حیطه تبدیل انرژی از یک حالت به حالت دیگر می ­پردازد. آنالیز ترمودینامیکی رایج در وحله اول بر اساس قانون اول ترمودینامیک است که قانون بقای انرژی را بیان می­ کند. آنالیز انرژی یک سیستم تبدیل انرژی اساساً برآورد انرژی­های ورودی و خروجی از سیستم است. انرژی خروجی از سیستم به دو بخش محصولات و تلفات شکسته می­ شود. راندمان­ها اغلب به صورت نسبت کمیت­های انرژی سنجیده می­شوند، و اغلب به منظور ارزیابی و مقایسه سیستم­های مختلف به کار می­روند. برای مثال نیروگاه­ها، گرم­کننده­ها و یخچال­ها اغلب بر اساس راندمان­های انرژی یا مقیاس­های مطلوبیت انرژی مقایسه می­شوند.
به هر حال، راندمان­های انرژی اغلب منجر به گمراهی نیز می­شوند. زیرا آنها همیشه معیاری از چگونگی نزدیکی عملکرد سیستم به عملکرد حالت ایده­آل سیستم را ارائه نمی­دهند. علاوه بر این، تلفات ترمودینامیکی که درون یک سیستم به وجود می­آیند (یعنی فاکتورهایی که

 باعث انحراف عملکرد سیستم از حالت ایده­آل می­شوند)، اغلب به صورت صحیح همراه آنالیز انرژی تعیین و ارزیابی نمی­شوند. نتایج آنالیز انرژی می­توانند نشان دهند که ناکارآیی­های عمده درون بخش­های اشتباه سیستم وجود داشته و همچنین بیان راندمان تکنولوژکی، از آنچه به واقع وجود دارد متفاوت است.

آنالیز اگزرژی بسیاری از نقایص آنالیز انرژی را از بین می­برد. آنالیز اگزرژی بر اساس قانون دوم ترمودینامیک است و جهت تعیین علل، موقعیت و بزرگی ناکارآیی فرایندها بسیار مفید است. اگزرژی موجود در مقدار مشخصی انرژی در واقع برآوردی کمی از میزان مفید بودن آن انرژی یا به تعبیری کیفیت آن انرژی است. آنالیز اگزرژی تصدیق می­ کند که اگرچه انرژی نمی ­تواند تولید و یا نابود شود، اما از کیفیت آن می ­تواند کاسته شود و در نهایت می ­تواند به حالتی برسد که در آن در حالت تعادل کامل با محیط بوده و از این­رو قادر به انجام کار نخواهد بود.
برای مثال، در مورد سیستم­های ذخیره­سازی انرژی، با بهره گرفتن از آنالیز اگزرژی قادر هستیم پتانسیل ماکزیمم موجود در انرژی ورودی به سیستم را تعیین کنیم. تنها چنانچه انرژی دستخوش فرایندهای برگشت­پذیر باشد، این ماکزیمم پتانسیل حفظ شده و قابل بازیابی خواهد بود. در دنیای واقعی و به دلیل برگشت ناپذیر بودن همیشگی فرایندها، به هنگام بازیابی این پتانسیل با تلفات روبرو خواهیم بود.
جریان اگزرژی یک ماده در حال جریان زمانی بیشینه است که کار حاصل از آن هنگامی بدست آید که فرایند به صورت برگشت پذیر به حالت محیط برسد و تبادل جرم و حرارت تنها با محیط صورت گیرد. در اصل، آنالیز اگزرژی بیان می­ کند که محدودیت­های تئوریکی که در سیستم وجود دارد، آشکارا بیانگر این است که هیچ سیستم واقعی نمی ­تواند همه اگزرژی را حفظ نموده و تنها بخشی از اگزرژی ورودی به سیستم قابل بازیابی است. همچنین آنالیز اگزرژی محدودیت­های عملی را از طریق ارائه تلفات به صورتی که مقیاس مستقیمی از تلفات اگزرژی است، به شکل کمی مشخص می­ کند.
اصطلاح اگزرژی اغلب با عناوینی نظیر انرژی در دسترس، قابلیت استفاده، قابلیت انجام کار و … نیز به کار برده می­ شود. مصرف اگزرژی نیز اغلب بازگشت ناپذیری، کار تلف شده، اتلاف و … نامیده می­ شود. نامگذاری ترم­های اگزرژی منطبق بر نامگذاری تحلیل اگزرژی استاندارد کتاس[1] و همکاران او در سال 1987 می­باشد] 1[.
2-1- بالانس جرم، انرژی و آنتروپی
بالانس کلی یک کمیت در یک سیستم را می­توان به صورت زیر نوشت.
ورودی و خروجی به ترتیب به کمیت­های وارد شده و خارج شده از مرزهای سیستم اشاره دارند. تولید و اتلاف نیز به ترتیب به کمیت­های تولید شده و تلف شده (از بین رفته) در سیستم اشاره دارند. انباشتگی به افزودن (منفی یا مثبت) یک کمیت در درون سیستم اشاره می­ کند.
بالانس کلی بالا را می­توان برای کمیت­های جرم، انرژی، آنتروپی و اگزرژی نوشت. جرم و انرژی، بر اساس قوانین پایستگی (صرف نظر از واکنش­های هسته­ای) نه به وجود می­آیند و نه از بین می­روند. و لذا بالانس کلی بالا برای هر کدام از این کمیت­ها به صورت زیر نوشته می­ شود.
به واسطه وجود بازگشت ناپذیری­ها در طول فرایند، آنتروپی به وجود می ­آید اما از بین نمی­رود. این معادلات بالانس نشان می­ دهند که در یک بازه زمانی در یک سیستم چه اتفاقی می­افتد. در یک فرایند چرخه­ای کامل که حالت­های ابتدایی و نهایی سیستم یکسان است، ترم انباشتگی در همه معادلات بالانس صفر خواهد بود.
3-1- معادلات دقیق بالانس
در حالت کلی دو نوع سیستم در نظر می­گیریم: سیستم باز (جریان دار) و سیستم بسته (بدون جریان). در حالت کلی سیستم­های باز دارای بر هم کنش­های جرم، حرارت و کار می­باشند در حالی که سیستم­های بسته دارای بر هم کنش­های کار و حرارت می­باشند. ورورد جریان جرم و انتقال حرارت به سیستم و گرفتن کار از سیستم را معمولا مثبت تعریف می­کنیم.
[1] Kotas