مشخصات تئوری محیط مرجع

مشخصات تئوری محیط مرجع

محیط مرجع با تمامی اجزای آن در تعادل پایدار قرار دارد. همچنین بین اجزای محیط واکنش­های شیمیایی وجود ندارد. محیط مرجع همانند یک سیستم بی­نهایت رفتار می­کند و برای حرارت و ماده نقش چشمه و چاه را ایفا می­کند. محیط مرجع تنها فرآیندهای بازگشت پذیر داخلی را تجربه می­کند که در آنها خواص شدتی محیط بدون تغییر باقی می­مانند (یعنی ،  و پتانسیل شیمیایی  هر مولفه  ثابت باقی می­مانند. اگزرژی محیط مرجع صفر است. اگزرژی یک جریان یا یک سیستم در تعادل با محیط مرجع نیز صفر است.

محیط طبیعی دارای خواص تئوریکی محیط مرجع نمی­باشد. محیط طبیعی در حالت تعادل قرار ندارد و خواص شدتی آن دارای تغییرات مکانی و زمانی می­باشند. اگزرژی محیط طبیعی صفر نیست و چنانچه محیط طبیعی به حالت تعادل برود می­توان از آن کار دریافت کرد. بنابراین مدل­های محیط مرجع را مورد استفاده قرار می­دهیم تا بتوانیم سازگاری­های لازم بین نیازمندی­های تئوریکی محیط مرجع و رفتار واقعی محیط طبیعی را بدست آوریم.

 

1-8-2) مدل­های محیط مرجع

در زیر چندین مدل محیط مرجع را مورد بررسی قرار می­دهیم:

  • مدل­های زیر سیستمی محیط طبیعی: یکی از دسته­های مهم مدل­های محیط طبیعی، مدل زیر سیستمی محیط طبیعی است. این مدل­ها در تلاش­اند تا زیر سیستم­های واقعی محیط طبیعی را شبیه سازی کنند. جدول (1-2) یکی از مدل­های زیر سیستمی را نشان می­دهد.

جدول (1-2): یکی از انواع مدل­­های محیط مرجع

  • مدل­های ماده مرجع: در این مدل یک ماده مرجع انتخاب می­شود و و برای هر المان شیمیایی آن اگزرژی صفر در نظر گرفته می­شود.
  • مدل­های تعادلی: مدلی که در آن تمامی مواد موجود در اتمسفر، اقیانوس­ها و پوسته زمین با یکدیگر ادغام می­شوند و ترکیب تعادلی در یک دمای مشخص تعیین می­شود. این مدل توسط آرنتز[1] در سال 1980 ارائه شده است.
  • مدل­های تعادلی محدود: آرنتز در سال 1980، مدل اصلاح شده­ای از مدل تعادلی خود را ارائه نمود که در آن محاسبه ترکیب تعادلی بدون در نظر گرفتن احتمال تشکیل اسید نیتریک () انجام شده است.
  • مدل­های مستقل فرآیندی: این مدل تنها مولفه­هایی را در بر می­گیرد که در فرآیند مورد آزمایش که در ترکیب تعادلی پایدار و در دما و فشار کل محیط طبیعی انجام شده است سهیم باشند. این مدل توسط بوسنجاکوویچ[2] در سال 1963 ارائه شده است.

 

1-9)  راندمان­ها و دیگر مقیاس­های مورد اهمیت

همیشه در تصمیم­گیری راجع به بهره­وری منابع، راندمان از اهمیت بالایی برخوردار است. راندمان به صورت توانایی تولید یک اثر مطلوب، بدون اتلاف و یا حداقل استفاده از انرژی، زمان، منابع و … تعریف می­شود و نشانگر میزان نزدیکی به حالت ایده آل در انجام یک فرآیند است.

برای تعیین راندمان در اغلب سیستم­های مهندسی از نسبت­های بی بعد کمیت­ها استفاده می­شود. از نسبت­های انرژی معمولاً برای تعیین راندمان­های سیستم­های مهندسی که هدف اولیه آنها تبدیل انرژی است استفاده می­شود. این راندمان­ها بر اساس قانون اول ترمودینامیک می­باشند. مطابق با قانون اول ترمودینامیک چنانچه در یک فرآیند میزان انرژی ورودی معادل انرژی قابل بازیافت خروجی باشد (یعنی اتلاف انرژی وجود ندارد)، راندمان ماکزیمم است. با این وجود راندمان­های انرژی اغلب ما را به اشتباه می­اندازند زیرا این راندمان­ها مقیاس مناسبی از نزدیکی به حالت ایده­آل نیستند.

برای تعیین راندمان­های معنی­دارتر، کمیتی نیاز است که نسبت­های آن مقیاس درست­تری از نزدیکی به حالت ایده­آل ارائه دهند. بنابراین می­بایست از قانون دوم ترمودینامیک استفاده کنیم. قانون دوم ترمودینامیک بیان می­کند که بیشترین راندمان مربوط به فرآیند برگشت پذیر است. بنابراین باید قانون دوم را به صورت کمی ارائه کنیم تا راندمان­ها قابل تعریف باشند.

اصل افزایش آنتروپی، که بیانگر تولید آنتروپی به واسطه بازگشت ناپذیری­ها است، قانون دوم ترمودینامیک را کمی می­کند. از نقطه نظر آنتروپی، راندمان فرآیندی ماکزیمم است که در آن فرآیند آنتروپی پایسته باشد. در فرآیندهای غیر ایده­آل آنتروپی تولید می­شود. مقدار تولید آنتروپی معیاری از غیر ایده­آل بودن یا بازگشت ناپذیری فرآیند است. در حالت کلی نسبت­های آنتروپی معیاری از میزان نزدیکی فرآیند به حالت ایده­آل ارائه نمی­کنند.

با توجه به قانون دوم ترمودینامیک، کمیتی که معیار مناسبی از میزان نزدیکی به حالت ایده­آل ارائه می­کند نجنتروپی[3] می­باشد. تعریف این کمیت به این صورت است که اتلاف نجنتروپی به واسطه بازگشت ناپذیری­ها معادل تولید آنتروپی به واسطه بازگشت ناپذیری­ها است. در نتیجه اصل افزایش آنتروپی، از نقطه نظر نجنتروپی، راندمان ماکزیمم یک فرآیند وقتی حاصل می­شود که نجنتروپی پایسته باشد. در فرآیندهای غیر ایده­آل نجنتروپی تلف می­شود. به هر حال راندمان­های کلی را نمی­توان بر اساس نجنتروپی تعریف نمود، زیرا مقدار مطلق نجنتروپی تعریف نشده است.

می­توان از طریق توانایی انجام کار، نجنتروپی را بیشتر کمی کرد. پس راندمان ماکزیمم تنها وقتی قابل حصول است که در پایان فرآیند، مجموع کل انرژی­های موجود که قابلیت انجام کار دارند با مجموع این انرژی­ها قبل از انجام فرآیند برابر باشد. اگزرژی معیاری از توانایی انجام کار است و از نقطه نظر اگزرژی، راندمان فرآیندی ماکزیمم است که اگزرژی در آن پایستار باشد. راندمان­های تعریف شده با استفاده از نسبت­های اگزرژی، معیار مناسبی از نزدیکی به حالت ایده­آل ارائه می­کنند. راندمان اگزرژی نسبت به راندمان انرژی بهتر درک می­شود زیرا مقادیر آن همیشه بین 0% تا 100% است. مقادیر بیشتر از 100% در راندمان انرژی، نظیر مقادیر ضریب عملکرد یخچال­ها، با در نظر گرفتن راندمان اگزرژی به مقادیر بین 0% تا 100% تبدیل می­شوند. در واقع برخی محققان[4] راندمان­های اگزرژی را واقعی و درست می­نامند در حالی که راندمان­های انرژی را تخمینی از واقعیت می­نامند.

راندمان­های انرژی () و اگزرژی () برای فرآیندهای جریان پایدار که در یک سیستم رخ می­دهند، اغلب به صورت زیر نوشته می­شوند:

(1-43)
(1-44)

دو نوع راندمان معمول دیگر که بر اساس اگزرژی می­باشند مطابق زیر تعریف می­شوند:

(1-45)
(1-46)

 

در یک فرآیند، راندمان اگزرژی اغلب دیدگاه روشنگرانه­تری نسبت به راندمان انرژی ارائه می­کند، زیرا راندمان اگزرژی انرژی جریان­ها را بر طبق محتوی اگزرژی آنها می­سنجد و همچنین ناکارآمدی­ها را به دو بخش تلفات جریانات خروجی و تلفات ناشی از بازگشت ناپذیری­ها تقسیم می­کند. در حالت کلی راندمان اگزرژی معیاری از پتانسیل بهبود فرآیند را ارائه می­کند.

1-10)  فرآیند آنالیز انرژی و اگزرژی

یک روش ساده برای انجام آنالیز انرژی و اگزرژی شامل مراحل زیر می­باشد:

  • تقسیم فرآیند مورد نظر به تعداد بخش­های دلخواه که به عمق جزئیات آنالیز بستگی دارد
  • انجام بالانس جرم و انرژی بر روی فرآیند، و تعین تمامی کمیت­های اساسی از جمله کار و حرارت، و ویژگی­هایی همچون دما و فشار
  • انتخاب مدل محیط مرجع بر اساس ماهیت فرآیند، میزان پیچیدگی و قابل قبول بودن تحلیل، و پرسش­هایی که برای آنها به دنبال جواب هستیم
  • تعیین مقادیر انرژی و اگزرژی نسبت به مدل محیط مرجع انتخاب شده
  • انجام بالانس اگزرژی و تعیین مقادیر اتلافات اگزرژی
  • انتخاب تعریف راندمان­ها بر اساس معیارهای مورد نظر و تعیین مقادیر راندمان­ها
  • تفسیر نتایج و ترسیم نتایج و پیشنهادات

 

1-11)  خواص انرژی و اگزرژی

جهت آنالیز انرژی و اگزرژی فرآیندها، بسیاری از خواص ماده مورد نیاز است. خواص بسیاری از مواد (مانند بخار، هوا، گازهای حاصل از احتراق و مواد شیمیایی)، در مراجع متعددی وجود دارد.

مقادیر انرژی جریان­های کار و حرارت مطلق می­باشند در حالی که مقادیر انرژی جریان­های جرمی نسبی هستند. آنتالپی­ها نسبت به یک سطح مبنا سنجیده می­شوند. از آنجائی که آنالیز انرژی با اختلاف انرژی سر و کار دارد، سطح مبنای انتخاب شده در محاسبه آنتالپی­ها می­تواند دلخواه باشد. اما با این وجود هنگام تعیین برخی راندمان­های انرژی، آنتالپی­ها می­بایست نسبت به سطوح مبنای خاصی سنجیده شوند (برای مثال در فرآیندهای تبدیل انرژی، اغلب سطح مبنا به گونه­ای انتخاب می­شود که آنتالپی ماده معادل ارزش حرارتی بیشینه آن شود[5]).

اما چنانچه بخواهیم نتایج آنالیزهای انرژی و اگزرژی را مقایسه کنیم، لازم است که سطوح مبنای محاسبات آنتالپی را به گونه­ای تعیین کنیم که آنتالپی یک ماده مرکب نسبت به مولفه­های پایدار محیط مرجع سنجیده شود. بنابراین، ترکیبی که به عنوان مولفه پایدار محیط مرجع وجود دارد، طوری تعریف می­شود که آنتالپی آن در  و  برابر صفر باشد. آنتالپی­های محاسبه شده نسبت به چنین شرایطی، آنتالپی­های پایه نامیده می­شوند[6]. آنتالپی پایه مشابه آنتالپی تشکیل است.

آنتالپی تشکیل یک ترکیب، آنتالپی آن ترکیب در  و  است که نسبت به اجزای سازنده آن در  و  سنجیده می­شود. آنتالپی پایه یک ترکیب، آنتالپی آن ترکیب در  و  است که نسبت به مولفه­های پایدار محیط در  و  سنجیده می­شود. در بسیاری از مدل­های محیط مرجع، آنتالپی­های پایه مواد سوختی برابر ارزش حرارتی بیشینه آنها است.

 

1-12)  مفاهیم نتایج آنالیز اگزرژی

نتایج آنالیز اگزرژی فرآیندها و سیستم­ها مستقیماً بر تصمیم­گیری­های کاربردی و مسیرهای تحقیق و توسعه[7] موثر است. علاوه بر این، آنالیز اگزرژی در تعیین بهترین مسیرهای تحقیق و توسعه، بینش جامع­تری نسبت به آنالیز انرژی در اختیار قرار می­دهد. دو دلیل اصلی برای این امر وجود دارد:

  1. تلفات اگزرژی معرف تلفات واقعی پتانسیل موجود تولید محصول دلخواه از ورودی محرک است. در حالت کلی این امر برای تلفات انرژی صحیح نیست. بنابراین چنانچه هدف ما افزایش راندمان باشد، تمرکز بر تلفات اگزرژی باعث تمرکز تحقیقات بر کاهش تلفات شده که باعث برآورده شدن هدف خواهد شد.
  2. راندمان­های اگزرژی همیشه بیانگر معیار نزدیکی عملکرد سیستم به حالت ایده­آل هستند. این موضوع در حالت کلی برای راندمان­های انرژی صحیح نیست. با تمرکز تحقیقات بر آن بخش­ها یا فرآیندهایی از یک سیستم که کمترین راندمان اگزرژی را دارند، تلاش تحقیقاتی بر بخش­هایی متمرکز شده است که ذاتاً بیشترین ظرفیت بهبود راندمان را دارند. به عبارت دیگر با تمرکز بر راندمان­های انرژی، تلاش تحقیقاتی صرف مواردی می­شود که ظرفیت بالایی برای بهبود ندارند.

نتایج آنالیز اگزرژی معمولاً بیان می­کنند که تلاش تحقیقاتی باید بیشتر بر روی تلفات اگزرژی داخلی متمرکز شود نه تلفات اگزرژی خارجی و نیز تقدم بررسی با فرآیندهایی است که تلفات اگزرژی آنها بیشتر است. این بیان به این مفهوم نیست که تلاش تحقیقاتی نباید بر روی فرآیندهایی با تلفات اگزرژی کمتر انجام شود بلکه این فرآیندها نیز مهم می­باشند.

در حالت بسیار کلی­تر، قابل ذکر است که تلاش تحقیقاتی نباید تنها بر اساس تحلیل­های انرژی و اگزرژی انجام شود. عوامل مهم دیگری نیز باید در نظر گرفته شوند که از جمله آنها می­توان از اقتصاد، تاثیرات محیطی، اصول ایمنی و پیامدهای اجتماعی و سیاسی نیز نام برد.

 

[1] Ahrendts

[2] Bosnjakovic

[3] Negentropy

[4] Gaggioli, 1983

[5] HHV (Higher Heating Value)

[6] Rodriguez ,1980

[7] R & D