موضوع مقاله: چرخه دودویی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # چرخه دودویی | مقدمه: چرخه اولیه انرژی زمین‌گرمایی را از مخزن استخراج می‌کند و چرخه ثانویه گرما را به کار تبدیل کرده تا ژنراتور را به حرکت درآورد و الکتریسیته تولید کند. | ## بخش 1: چرخه دودویی | با این حال، به دلیل دماهای پایین‌تر، چرخه‌های دوتایی بازده کلی پایینی در حدود ۱۰ تا ۱۳ درصد دارند. چرخه اولیه گرما را از مخزن زمین‌گرمایی استخراج کرده و آن را به چرخه ثانویه می‌دهد. چرخه ثانویه گرما را به کار (نگاه کنید به موتور گرمایی) تبدیل می‌کند تا یک ژنراتور را به حرکت درآورد و الکتریسیته تولید کند. از نظر ترمودینامیکی، نیروگاه‌های چرخه دوتایی شبیه به نیروگاه‌های زغال‌سنگ‌سوز یا نیروگاه‌های هسته‌ای هستند زیرا از چرخه‌های قدرت رانکین استفاده می‌کنند؛ تفاوت اصلی در منبع گرما و انتخاب سیال عامل چرخه است. چرخه اولیه سیال داغ درجا (یا ژئوفلوید) مخزن زمین‌گرمایی از طریق یک دهانه چاه به سطح زمین آورده می‌شود و در صورت نیاز توسط پمپ کمک می‌شود. در سطح زمین، سیال داغ مقداری از گرمای خود را از طریق یک مبدل حرارتی به چرخه ثانویه منتقل می‌کند و در این فرآیند خنک می‌شود. سپس سیال سرد شده از طریق یک دهانه چاه جداگانه دوباره به مخزن زمین‌گرمایی تزریق می‌شود، جایی که مجدداً گرم می‌شود. چرخه ثانویه سیال عامل سرد با فشار بالا در یک مبدل حرارتی توسط سیال زمین‌گرمایی داغ گرم و تبخیر می‌شود. بخار داغ با فشار بالا در یک توربین منبسط می‌شود و سپس در یک کندانسور خنک و تقطیر می‌گردد. برای بستن حلقه، مایع سرد با فشار پایین دوباره توسط یک پمپ تغذیه تحت فشار قرار می‌گیرد. دو پیکربندی اصلی چرخه ثانویه شامل چرخه رانکین آلی (ORC) یا چرخه کالینا هستند که تفاوت اصلی آن‌ها در انتخاب سیال عامل است؛ به ترتیب یک سیال آلی (معمولاً یک هیدروکربن یا مبرد) یا مخلوطی از آب-آمونیاک. تاریخچه تصور می‌شود اولین نمونه از یک نیروگاه زمین‌گرمایی چرخه دوتایی در ایسکیا، ایتالیا، بین سال‌های ۱۹۴۰ و ۱۹۴۳ واقع شده باشد. گمان می‌رود این نیروگاه از اتیل کلرید به عنوان سیال عامل با ظرفیت مؤثر ۲۵۰ کیلووات استفاده می‌کرده است. | ## بخش 2: چرخه دودویی | با این حال، به دلیل وقوع جنگ جهانی دوم در همان زمان، اطلاعات زیادی در مورد این تأسیسات خاص در دست نیست. یک نیروگاه زمین‌گرمایی چرخه دوتایی دیگر در سال ۱۹۶۷ در نزدیکی پتروپاولوفسک در شبه‌جزیره کامچاتکا، روسیه عملیاتی شد. این نیروگاه با ظرفیت ۶۷۰ کیلووات رتبه‌بندی شده بود و برای تعداد نامعلومی از سال‌ها کار کرد و مفهوم نیروگاه‌های زمین‌گرمایی چرخه دوتایی را به اثبات رساند. تا دسامبر ۲۰۱۴، ۲۰۳ نیروگاه زمین‌گرمایی چرخه دوتایی در ۱۵ کشور جهان وجود داشت که ۳۵٪ از کل نیروگاه‌های زمین‌گرمایی را تشکیل می‌دادند، اما تنها ۱۰٫۴٪ از کل برق زمین‌گرمایی (حدود ۱۲۵۰ مگاوات) را تولید می‌کردند. انواع فشار دوگانه سیال عامل در دو سطح فشار متفاوت و در نتیجه در دو دما تبخیر می‌شود. سیال دوگانه دو چرخه ثانویه به صورت پشت‌سرهم (تاندوم) کار می‌کنند که هر کدام دارای سیال عامل و نقطه جوش جداگانه هستند. این روش با اطمینان از تطابق نزدیک‌تر بین منحنی خنک‌شدن سیال زمین‌گرمایی و منحنی‌های گرم‌شدن سیالات عامل، تلفات اکسرژی فرآیند انتقال حرارت را کاهش داده و بازده را بهبود می‌بخشد. عملکرد یک چرخه دوتایی ساده و اجزای جداگانه آن را می‌توان به شرح زیر محاسبه کرد: توربین : نرخ کار انجام شده توسط توربین، بر حسب کیلووات (kW). : آنتالپی مخصوص سیال عامل در خروجی توربین، با فرض انبساط ایزنتروپیک (هم‌آنتروپی) در توربین، بر حسب کیلوژول بر کیلوگرم (kJ/kg). کندانسور معادله زیر را می‌توان برای تعیین بار حرارتی کندانسور (چگالنده) و نرخ جریان جرمی خنک‌کننده مورد نیاز استفاده کرد: : نرخ گرمای دفع شده از سیال عامل در کندانسور، بر حسب کیلووات (kW). پمپ تغذیه : نرخ کار انجام شده توسط پمپ برای فشرده‌سازی مجدد سیال عامل، بر حسب کیلووات (kW). : آنتالپی مخصوص سیال عامل در خروجی پمپ تغذیه، با فرض تراکم ایزنتروپیک، بر حسب kJ/kg. مبدل حرارتی اولیه معادله زیر برای تعیین بار حرارتی مبدل حرارتی اولیه و نرخ جریان جرمی سیال زمین‌گرمایی (ژئوفلوید) مورد نیاز استفاده می‌شود: : نرخ گرمای افزوده شده به سیال عامل در مبدل حرارتی اولیه، بر حسب کیلووات (kW). | ## بخش 3: چرخه دودویی | و : به ترتیب آنتالپی مخصوص سیال زمین‌گرمایی در ورودی و خروجی مبدل حرارتی اولیه، بر حسب kJ/kg. بازده تعاریف مختلفی از بازده وجود دارد که ممکن است در نظر گرفته شود؛ این موارد در زیر مورد بحث قرار گرفته‌اند. بازده قانون اول بازده قانون اول (برگرفته از قانون اول ترمودینامیک) معیاری برای تبدیل گرمای داده شده به چرخه به کار مفید است. با در نظر گرفتن تلفات و ناکارآمدی‌های دنیای واقعی، نیروگاه‌های زمین‌گرمایی چرخه دوتایی واقعی دارای بازده قانون اول بین ۱۰ تا ۱۳ درصد هستند. بازده کارنو بازده کارنو، بازده یک چرخه ترمودینامیکی ایده‌آل را نشان می‌دهد که بین دو مخزن با دماهای متفاوت عمل می‌کند و به همین دلیل حداکثر تئوری بازده هر موتور گرمایی را ارائه می‌دهد. به همین دلیل، یک نیروگاه زمین‌گرمایی که سیال داغ ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد (حدود ۴۵۰ کلوین) تولید می‌کند و گرما را در دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد (حدود ۲۹۸ کلوین) دفع می‌کند، حداکثر بازدهی برابر با تنها ۳۴٪ دارد. بازده قانون دوم بازده قانون دوم (برگرفته از قانون دوم ترمودینامیک) معیاری برای استفاده از حداکثر کار موجودِ ایده‌آل و تبدیل آن به کار مفید است. انتخاب سیال عامل سیال عامل نقش محوری در هر چرخه دوتایی ایفا می‌کند و باید با دقت انتخاب شود. دمای بحرانی و فشار بحرانی بالاتر از حداکثر دما و فشار چرخه – بیشتر انتقال حرارت در حداکثر دما انجام می‌شود که بازده را افزایش می‌دهد. یک گنبد اشباع که شبیه به یک U وارونه است – این امر از تشکیل قطرات مایع در توربین جلوگیری می‌کند، زیرا وجود مایع باعث کاهش بازده، آسیب دیدن پره‌های توربین و در نتیجه کاهش عمر توربین می‌شود. هدایت حرارتی بالا – انتقال حرارت در مبدل حرارتی اولیه و کندانسور را بهبود می‌بخشد، که باعث کاهش سطح کل انتقال حرارت مورد نیاز و در نتیجه کاهش هزینه نیروگاه می‌شود. | ## جمع‌بندی | سازگاری زیست‌محیطی – غیرسمی، غیر سرطان‌زا، پتانسیل گرمایش جهانی پایین، پتانسیل تخریب لایه ازون پایین، غیرقابل اشتعال و از نظر شیمیایی خنثی باشد.