علم CHP یا حرارت و توان ترکیبی بدلیل صرفه جویی در سرانه انرژی مصرفی کشورها و کمک به پاکیزگی محیط زیست ودر بعضی از مواقع جلوگیری از الودگی هواو همینطور استفاده از انرژی پاک طبیعت پیشرفت قابل ملاحظه ای کرده است .

هم اکنون با توجه به سیاست های اقتصادی دولت به منظور هدفمند کردن یارانه ها و افزایش قیمت حامل های انرژی و از طرفی اهمیت بیش از پیش هزینه سوخت درقیمت تمام شده کلیه محصولات تولید داخل و همچنین حمایت وزارت نیرو از احداث واحد های تولید برق در مقیاس کوچک توسط اشخاص حقیقی یا حقوقی موجب شده تا مدیران صنایع نسبت به صرفه جویی بیشتر در مصرف انرژی اهتمام ورزیده و بعضاً اقدام به احداث نیروگاههای برق با مقیاس کوچک نمایند .
در مجموعه ها مصرف کننده های عمده انرژی عبارتند از :
1- موتورهای احتراق داخلی
2- مشعلها
روشهای بهینه سازی انرژی مصرفی در مجموعه موتورها و مشعل ها :
1- تنظیم فشار پمپ سوخت
2- تمیز کردن و یا تعویض نازل پاشش سوخت
3- تنظیم و کنترل مستمر هواکش و یا دمپر هوا و در صورت وجود تعویض بموقع فیلتر های هوا
رعایت نکات اساسی فوق باعث کاهش قابل توجه سوخت مصرفی میشود .
مبحث دیگری که در اشل کشوری دارای اهمیت میباشد افزایش راندمان سیستمهای مصرف کننده سوخت میباشد . بطور مثال راندمان یک مشعل حدوداً 80 % است که با تنظیم مقدار هوای مناسب و پا شش صحیح سوخت افزایش این راندمان تا 98 درصد امکان پذیر میباشد .که باید سازمانهای گواهی دهنده و استاندارد در سطح کشور به آن توجه نمایند .
بعنوان مثال :
راندمان یک نیروگاه گازی حدود 31 % الی 36 % در شرایط ایده آل کار توربین ، کمپرسور،کوره هوای گرم می باشد الباقی انرژی که حدوداً 64 % الی 69 % میباشد بصورت گازهای داغ از دودکش خارج میگردد که با قراردادن مبدل آبگرم یا بخار و یا هوای گرم مقدار راندمان 31% الی 36 % را تا 70 % الی 78 % میتوان ارتقاء داد ، اگر درصد های فوق را به واحد های انرژی تبدیل کنیم مقدار صرفه جویی قابل لمس تر خواهد بود . بطورمثال در یک شهرک صنعتی که بطور متوسط مجموع مصرف انرژی با راندمان 50 % میباشد . مصرف سوخت این شهرک صنعتی در روز معادل ده ماشین حمل سوخت با مجموع ظرفیت 000/280 لیتر میباشد .

انرژی حاصل از این سوخت مایع حدوداً 2800 مگا کیلوکالری میباشد . که فقط 1400 مگا کیلوکالری آن بصورت مفید مصرف و الباقی بصورت حرارت از دودکش ها و بدنه ماشین آلات خارج میگردد و به ازای هر یک درصد افزایش راندمان 1400 لیتر صرفه جویی سوخت خواهیم داشت و اگر بتوانیم راندمان مجموعه را تا 70 % ارتقاء دهیم . یعنی 28000 لیترصرفه جویی در روز برای یک مجموعه.
مسئله صرفه جویی در کشورهای پیشرفته از قدمت بیشتری برخوردار میباشد شاید به قدمت اختراع دیگ بخار که در آن زمان محوطه کارگران را با گرمای حاصل از دودکش گرم میکردند .
به دلیل اهمیت موضوع شاخه ای از علم مکانیک به این موضوع اختصاص داده شده است و آن ترکیب حرارت و قدرت یا Combind Heat & Power یا اختصاراً CHP نامیده شده است .
بطور مثال انسان مدرن با صرف هزینه های بسیار زیاد از گرما و انرژی خورشید توسط سلولهای خورشیدی انرژی دریافت میکند در حالیکه دهها برابر آنرا توسط اگزوزها و دودکش ها هدر می دهد . بنابراین به موازات استفاده از انرژی پاک استفاده از حرارت دودکش ها نیز به طبیعت کمک می کند .
حرارتی که از دودکش میگیریم در کجا میتوان مصرف کرد ؟
1- گرمایش محیط زندگی و کار
2- تولید بخار جهت مصارف صنعتی و یا نیروگاه بخار ( سیکل ترکیبی )
3- تولید آبگرم مصرفی ساختمانها و ادارات و کارخانجات
4- تولید کوره های هوا گرم
5- استفاده از هوای گرم جهت خشک کردن میوه جات
6- استفاده از حرارت دود و گازهای خروجی موتورهای درون سوزجهت ژنراتور دستگاههای Absorbtion برای تولید هوای سرد در تابستان .
7- دریافت انرژی الکتریسته ( برق ) از حرارت دودکش در نیمه هادی ها و ترموکوبلها ( اگر دو فلز با دو جنس مخالف را از یک سر بهم گره بزنیم و در مقابل حرارت قرار دهیم در دو سر دیگر اختلاف ولتاژ بوجود میاید که این اختلاف ولتاژ بطور خطی افزایش می یابد. با سری کردن این ترموکوپلها می توان به ولتاژ های قابل قبول جهت روشنایی محوطه در شبها رسید .)

محدودیت های استفاده از هوای گرم دودکشها :

1- محدودیت دمای مبدل حرارتی
مبدلی که گرمای دودکش و محصولات احتراق را دریافت میکند خود سقف دمای کار از پیش تعیین شده ای دارد.این سقف محدودیت استفاده از دود را تعیین مینماید .
مثال : اگر قصد داریم دیگ بخاری با فشار کار 10 اتمسفر سر راه دودکش قرار دهیم ناچارا” دمای اشباع بخار 180 درجه خواهد بود و حداقل 20 الی 30 درجه سانتیگراد دمای دود خروجی از مبدل باید بالاتر باشد .بنابراین دود خروجی از مبدل و در نهایت دودکش به 230 درجه سانتی گراد محدود خواهد شد .
2- محدودیت نقطه شبنم :
هنگامیکه دمای دود به پایین تر از دمای نقطه شبنم می رسد بخار آب کندانس شده و با گوگرد و یا CO2 موجود در سوخت و دود ، اسیدی با PH پایین تولید مینماید که موجب خوردگی در مبدل و یا دیواره دودکش میگردد و طراح باید در مقوله طراحی دمای دود را در نظر گرفته و به نسبت خورندگی گازها جنس دودکش را تعیین نماید.
3- افت فشار کوره :
مهمترین نکته در استفاده از مبدلهای CHP افت فشار کوره میباشد.
وقتی که افت فشار مسیر گازهای داغ افزایش میابد موجب هدر رفتن مقداری از قدرت الکتروموتور برای جبران این افت میگرددو ایراد اساسی که در فن مشعلها و یا کمپرسورها بوجود میا ید مقدار هوای طراحی شده است که بشدت کاهش یافته و این کاهش هوا موجب بالا رفتن دمای شعله و یا دود شده وتولید گازهای NOX میگردد که به محیط زیست اسیب میرساند.
در این مورد بحثهای فراوانی پیش میاید که در جای خود بدان پرداخته خواهد شد .
مثلاً چرا از ابتدا راندمان را بالا نمی بریم ؟که مجبور بشویم از ضایعات حرارت استفاده کنیم .
واقعیت این است که در بسیاری از پروسه های عملی امکان بالا بردن مستقیم راندمان وجود ندارد .برای بالا بردن راندمان یک نیروگاه بخار بشکل ذیل عمل می شود .
1- افزایش دمای بخار ورودی توربین .
2- کاهش دمای آب ورودی پمپ .
حال اگر فرض کنیم تمامی تجهیزات نیروگاه شامل دیگ بخار – توربین – پمپ کندانسور با راندمان 100 % کار کنند راندمان ایده آل این نیروگاه برابر با :
    ( دمای بخار به کلوین ) / ( دمای آب به کلوین- دمای بخار به کلوین) = μ

بالاترین دمایی که بخار را می توان افزایش داد 370 درجه سانتی گراد و یا 643 = 370 + 273 درجه کلوین و کمترین دمایی که اقتصادی باشد دمای محیط می باشد . اگر در زمستان دمای کندانسور را تا 7 درجه سانتی گراد و یا 280 = 7 + 273 درجه کلوین پایین اورده شود بالاترین راندمان این نیروگاه در صورت داشتن راندمان 100% تک تک اجزای آن برابر با :

 ( دمای بخار به کلوین ) / ( دمای آب به کلوین- دمای بخار به کلوین) = μ

رسیدن به راندمان ایده آل نیاز به پمپی دارد که 210 آتمسفر کار کندیا فلزی که در دمای بالا و فشار بالایی را تحمل نماید که بسیار گران خواهد شد.پس در جاهایی که محدودیت قیمت و راندمان داریم راه دیگری باید انتخاب کنیم یکی از این راهها CHP میباشد .

تعریـف CHP یا حرارت و توان ترکیبی :

به زبان ساده کنار آمدن با طبیعت و تلفیق استفاده از حرارت و قدرت در یک سیستم حرارتی را CHP می گوییم و برای هر فضا و مکان نحوه استفاده خاصی را می طلبد که طراح باید آنرا ببیند .
با استفاده از تجربیات عینی ، مثالهای ملموسی برای طراحی بیان میشود :
1- استفاده از حرارت اگزوز بویلر جهت مجتمع های مسکونی :
الف ) دیگ بخار : از دود دیگ بخار می توان آبگرم مصرفی مجتمع و در تابستان آبگرم آبزوربشن را تامین نمود و یا در زمستان جهت آب کردن برف پشت بام استفاده کرد .
ب ) بویلر آبگرم : جهت آب کردن برف در زمستان و تامین قسمت اعظم آبگرم مصرفی مجتمع با قراردادن یک منبع ذخیره بزرگتر وتامین هوای گرم گلخانه مجتمع و حتی تولید بخار برای سونای یک مجتمع .
2- دیگ بخار صنعتی
الف ) با ظرفیت کمتر از 5 تن
 تهیه آبگرم صنعتی و بهداشتی
 تهیه هوای گرم تمیز برای گرم کردن محیط
پیش گرم کردن (اکونومایزر) آب ورودی دستگاه

ب ) با ظرفیت بیش از 5 تن
استفاده مشابه ردیفهای (1 ) به علاوه ایجاد یک بویلر آبگرم
افزایش دمای هوای ورودی بویلر

ج ) دیگ روغن داغ
استفاده جهت گرمایش محیط
در تابستان جهت خنک کاری امور اداری
ایجاد یک دیگ بخار کوچک
تولید هوای گرم برای مصارف خاص

د ) کوره هوای گرم
خـروجی های کــوره های هوای گــرم معمولاً دارای دمای بـالایی میبـاشند . زیرا در این دستـگاهها و دستگاههـای
روغنداغ به دلیل اینکه سیال عامل در دماهای بالایی مورد استفاده قرارمیگیرند به تبع دمای اگزوز نیز بالا خواهد بود
که بشرح ذیل مورد بهره برداری قرار میگیرد .
استفاده جهت گرمایش محیط
در تابستان جهت خنک کاری امور اداری و جاهای مورد نیاز
تهیه آبگرم مصرفی کارخانه
تهیه بخار برای مصارف خاص (مثلاً اتو بخار )
تولید هوای گرم با دمای پایین جهت خشک کنها و …
پیش گرم کردن آب ورودی دیگهای بخار در صورت وجود
ایجاد آب شیرین کن برای مناطقی که آب بهداشتی ندارند
کارخانجات غذایی برای خشک کردن مواد اولیه می توانند استفاده کنند .

نیروگـــاه بـــرق
بحث اصلی CHP بیشتر جهت نیروگاههای برق میباشد.. زیرا اخیراً ساخت نیروگاههای کوچک تا 25 مگاوات بسیار رواج پیدا کرده و دولت حاضر به خرید برق مازاد تولیدی این کارخانجات میباشد . 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.

نیروگاههای کوچک برق به 4 صورت اصلی هستند :

1- توربین بخار
2- توربین گاز
3- موتور احتراق داخلی
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 نیاز به گاز طبیعی بصورت فشرده ( کمپرس شده ) میباشد .

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 سیال آب گرفته میشود و دیگری استفاده از گازهای حاصل احتراق آن که دارای دمایی حدود 400 الی 600 درجه سانتیگراد میباشد .نکته مهم در موتور های احتراقی 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 میرود. 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 بیان چند مثال میپردازیم .
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- میانگین مصرف آبگرم یکنفر در شبانه روز معادل سوختن 2/0متر مکعب سوخت میباشد .
5- میانگین تعداد افراد هر خانواده ایرانی 5 نفر میباشد .
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 تبدیل به برق مفید 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 انرژی 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 میشود .
2- یک کارخانه تولید رب گوجه فرنگی با ظرفیت 5/0 تن در ساعت کار میکند .
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.

CHP یا حرارت و توان ترکیبی

https://arvinbokhar.net/index.php/chp/