در دهه‌های اخیر، نیاز به تکنولوژی‌های کارآمد و پایدار برای مایع‌سازی گازها، به‌ویژه در حوزه‌های مربوط به هیدروژن و گاز طبیعی، اهمیت بسیاری یافته است. یکی از پیشرفته‌ترین تکنولوژی‌هایی که در این زمینه مورد توجه قرار گرفته است، سیستم‌های تبرید آبشاری هستند. این سیستم‌ها، که تعمیمی از سیستم‌های پیش‌سرمایش به‌شمار می‌روند، توانسته‌اند به دلیل کارایی بالا و قابلیت نزدیک شدن به فرایندهای برگشت‌پذیر ایده‌آل، در صنایع مرتبط جایگاه ویژه‌ای پیدا کنند. مقاله حاضر به بررسی سیستم‌های آبشاری، اصول عملکرد آن‌ها، و تاثیر آن‌ها بر بهره‌وری در مایع‌سازی گازها می‌پردازد.
سیستم‌های آبشاری: تعریفی از پیشرفت در تبرید
سیستم‌های تبرید آبشاری از چندین چرخه تبرید مستقل تشکیل شده‌اند که یا مستقیماً جریان اصلی گاز را پیش‌سرد می‌کنند یا به ترتیب یک چرخه تبرید دیگر را خنک می‌سازند. این سیستم‌ها به‌طور عمده در شرایطی استفاده می‌شوند که نیاز به رسیدن به بازدهی حرارتی و تبریدی بالا و کاهش مصرف انرژی وجود دارد.
سیستم‌های آبشاری پتانسیل نزدیکی به فرایندهای مایع‌سازی ایده‌آل را دارند، به‌ویژه زمانی که دمای وارونگی گاز مورد نظر کمتر از دمای محیط باشد. این قابلیت آن‌ها را به یک گزینه بسیار مناسب برای مایع‌سازی گازها تبدیل کرده است. همچنین، این سیستم‌ها از مبدل‌های حرارتی بازیافتی یا کرایوژن‌های مایع برای رسیدن به شرایط بهینه بهره می‌برند.
چرخه‌های تبرید آبشاری و کاهش مصرف انرژی
یکی از مزایای کلیدی سیستم‌های آبشاری، تنظیم دقیق ظرفیت تبرید در هر مرحله است. این تنظیم به‌گونه‌ای انجام می‌شود که اختلاف دمای ورودی و خروجی در اواپراتورها و مبدل‌های حرارتی به حداقل برسد. با این روش، برگشت‌ناپذیری‌های ترمودینامیکی کاهش یافته و مصرف انرژی بهینه می‌شود. در واقع، دمای میانی بین مراحل باید به‌گونه‌ای تنظیم شود که نسبت دماهای بالا و پایین در هر مرحله برابر شود؛ این کار باعث کاهش تولید آنتروپی و افزایش ضریب عملکرد کل سیستم می‌گردد.
عملکرد سیستم‌های آبشاری بر اساس آنالیز اگزرژی
طبق آنالیز اگزرژی انجام‌شده بر روی یک سیستم مایع‌سازی گاز طبیعی آبشاری، میزان مصرف انرژی ویژه سیستم برابر با 456.8 کیلوژول به ازای هر کیلوگرم گاز طبیعی مایع است. این مقدار مصرف انرژی تنها به خواص گاز طبیعی ورودی و خروجی بستگی دارد. در این بررسی ضریب عملکرد (COP) سیستم برابر 1.8 و راندمان اگزرژی سیستم برابر 38.5 درصد محاسبه شده است.
ضریب عملکرد (COP) به‌عنوان نسبت سرمایش تأمین‌شده توسط سیال کاری به کل توان ورودی به سیستم تعریف می‌شود. هرچه ضریب عملکرد بالاتر باشد، سیستم تبرید کارآمدتر است. راندمان اگزرژی نیز به بررسی کارآیی تبدیل انرژی در این سیستم‌ها می‌پردازد و نشان‌دهنده میزان اتلاف انرژی در فرایند است.
چرخه رانکین آبشاری: نوآوری در بازیابی انرژی
یک نوآوری مهم در این زمینه، معرفی چرخه رانکین آبشاری است. این چرخه برای بازیابی انرژی سرما و تولید برق طراحی شده است. تحقیقات نشان داده که هرچه تعداد مراحل بیشتر باشد، توان خالص خروجی و راندمان نیز افزایش می‌یابد. در این چرخه، استفاده از سیال کاری پروپان در سیستم‌های سه‌مرحله‌ای به بالاترین توان خروجی و راندمان منجر می‌شود.
جدول پارامترهای فنی
در این بخش، پارامترهای فنی مختلف چرخه‌های مایع‌سازی هیدروژن لیست شده‌اند.
مقایسه فنی چرخه‌های اصلی مایع‌سازی هیدروژن
| چرخه مایع‌سازی هیدروژن | محصول مایع (%) | مصرف انرژی ویژه
(kWh/kgLH2) |
شاخص شایستگی (%) | ملاحظات |
| سیستم روبلفسکی | فشرده‌سازی هیدروژن ورودی تا 100 اتمسفر و پیش‌سرد کردن تا 183- درجه سانتیگراد و انبساط | |||
| سیستم اولشفسکی | مشابه روبلفسکی اما در مقیاس بزرک | |||
| سیستم دووار | فشرده‌سازی هیدروژن تغذیه تا 100 اتمسفر و پیش‌سرد کردن تا 183- درجه سانتیگراد و انبساط. ظرفیت = 0.24 لیتر در ساعت | |||
| چرخه کارنو (مایع‌سازی به‌صورت ترمودینامیکی ایده‌آل)
ورودی: 21 بار، 25 درجه سانتیگراد و هیدروژن گازی خروجی: 1 بار، 253- درجه سانتیگراد و هیدروژن مایع خروجی: 1 بار، 253- درجه سانتیگراد و هیدروژن مایع خالص (99.8%) |
–
– |
3.27
3.92 |
100
100 |
مصرف انرژی ویژه= 2.18
مصرف انرژی ویژه= 2.98 |
| لینده-همپسون ساده ایده‌آل | عدم امکان مایع‌سازی هیدروژن | |||
| لینده-همپسون ایده‌آل پیش‌سرد شده
خروجی: 1 بار، 253- درجه سانتیگراد و هیدروژن مایع |
30 | 16.27 | 20 | مصرف انرژی ویژه 16.24 |
| لینده-همپسون دوفشاره ایده‌آل پیش‌سرد شده
خروجی: 1 بار، 253- درجه سانتیگراد و هیدروژن مایع |
41 | 12.14 | 27 | مصرف انرژی ویژه 12.12 |
| لینده-همپسون پیش‌سرد شده
خروجی: 1 بار، 253- درجه سانتیگراد و هیدروژن مایع |
12 تا 17 | 72.8 تا 79.8 | 4.5 تا 5 | – |
| کلود ساده
خروجی: 1 بار، 253- درجه سانتیگراد و هیدروژن مایع |
8 | 22.1 | 18.1 | ظرفیت 4.46 لیتر در ساعت |
| کلود تک‌فشاره ایده‌آل پیش‌سرد شده
خروجی: 1 بار، 253- درجه سانتیگراد و هیدروژن مایع |
52 | 10 | 32.6 | – |
| کلود دوفشاره ایده‌آل پیش‌سرد شده
خروجی: 1 بار، 253- درجه سانتیگراد و هیدروژن مایع |
59 | 8.86 | 37.7 | مصرف انرژی ویژه 6.66 |
| کلود پیش‌سرد شده
خروجی: 1 بار، 253- درجه سانتیگراد و هیدروژن مایع |
16 تا 20 | 28 تا 39.2 | 9.2 تا 13 | – |
| کلود دوفشاره پیش‌سرد شده
خروجی: 1 بار، C° 253- و هیدروژن مایع خالص (99.8%) |
– | 12.26 | – | – |
| سیستم تبرید هلیومی
خروجی: 1 بار، 253- درجه سانتیگراد و هیدروژن مایع |
100 (هیدروژن ناخالص)
54 (هیدروژن خالص) |
33.6 تا 56 | 6.5 تا 11 | – |
جمع‌بندی
سیستم‌های تبرید آبشاری به‌عنوان یک تکنولوژی پیشرفته و کارآمد در مایع‌سازی گازها، توانسته‌اند نقش کلیدی در بهینه‌سازی مصرف انرژی و کاهش اتلاف حرارتی ایفا کنند. این سیستم‌ها با استفاده از چرخه‌های چندمرحله‌ای و بهره‌گیری از مبدل‌های حرارتی پیشرفته، نه‌تنها به بازدهی بالاتری دست یافته‌اند، بلکه با نوآوری‌هایی مانند چرخه رانکین آبشاری، امکان بازیابی انرژی سرما و تولید برق را نیز فراهم کرده‌اند. این ویژگی‌ها باعث شده تا سیستم‌های آبشاری به‌عنوان یکی از برترین گزینه‌ها در مایع‌سازی گازهایی مانند هیدروژن و گاز طبیعی شناخته شوند و در آینده‌ای نزدیک جایگاه خود را در صنایع مرتبط بیشتر تقویت کنند.
