مقدمه:

افزایش هزینه انرژی، محدودیت منابع و ضرورت افزایش بهره‌وری در صنایع، نیاز به روش‌های دقیق‌تر برای ارزیابی عملکرد سیستم‌های انرژی را افزایش داده است. در بسیاری از مطالعات مهندسی، عملکرد سیستم بر اساس تحلیل انرژی و موازنه انرژی بررسی می‌شود؛ اما تحلیل انرژی به‌تنهایی نمی‌تواند کیفیت ترمودینامیکی انرژی و میزان برگشت‌ناپذیری فرایند را به‌طور کامل مشخص کند.

آنالیز اگزرژی (Exergy Analysis) روشی مبتنی بر قانون دوم ترمودینامیک است که علاوه بر مقدار انرژی، قابلیت تبدیل آن به کار مفید را نیز ارزیابی می‌کند. این روش امکان شناسایی محل و مقدار تخریب اگزرژی در اجزای مختلف یک سیستم را فراهم می‌سازد [1]–[3].

به همین دلیل، تحلیل اگزرژی یکی از ابزارهای مهم برای بهینه‌سازی سیستم‌های انرژی، افزایش بازده ترمودینامیکی و شناسایی فرصت‌های کاهش مصرف انرژی محسوب می‌شود.

اگزرژی چیست؟

اگزرژی را می‌توان حداکثر کار مفیدی تعریف کرد که یک سیستم، هنگام رسیدن به تعادل ترمودینامیکی با محیط مرجع، در شرایط ایده‌آل می‌تواند تولید کند [1]، [2].

تفاوت اساسی انرژی و اگزرژی در این است که انرژی بر اساس قانون اول ترمودینامیک پایسته است، اما اگزرژی در اثر برگشت‌ناپذیری‌های واقعی فرایند می‌تواند تخریب شود.

عواملی مانند اصطکاک، افت فشار، اختلاط، انتقال حرارت با اختلاف دمای زیاد و سایر فرایندهای برگشت‌ناپذیر موجب تولید آنتروپی و در نتیجه کاهش قابلیت انجام کار مفید می‌شوند.

بنابراین، دو سیستم ممکن است مقدار انرژی مشابهی مصرف کنند، اما از نظر بازده اگزرژی و میزان تخریب اگزرژی عملکرد یکسانی نداشته باشند.

تفاوت تحلیل انرژی و تحلیل اگزرژی

تحلیل انرژی بر اساس قانون اول ترمودینامیک، مقدار انرژی ورودی، خروجی و انتقال‌یافته در سیستم را بررسی می‌کند.

در مقابل، تحلیل اگزرژی علاوه بر موازنه انرژی، کیفیت ترمودینامیکی انرژی و برگشت‌ناپذیری‌های فرایند را نیز مورد توجه قرار می‌دهد.

در نتیجه، تحلیل اگزرژی می‌تواند به این پرسش پاسخ دهد که کدام بخش از سیستم بیشترین قابلیت انجام کار مفید را از بین می‌برد.

این اطلاعات برای اولویت‌بندی اقدامات اصلاحی و مهندسی در پروژه‌های بهینه‌سازی انرژی اهمیت زیادی دارد.

تخریب اگزرژی چیست؟

یکی از مهم‌ترین نتایج آنالیز اگزرژی، تعیین مقدار تخریب اگزرژی در اجزای سیستم است.

بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، تخریب اگزرژی با تولید آنتروپی رابطه مستقیم دارد و به‌صورت زیر بیان می‌شود [1]:

Ė_D = T₀ Ṡ_gen

در این رابطه، Ė_D نرخ تخریب اگزرژی، T₀ دمای مطلق محیط مرجع و Ṡ_gen نرخ تولید آنتروپی است.

این رابطه نشان می‌دهد که افزایش برگشت‌ناپذیری یک فرایند باعث افزایش تولید آنتروپی و در نتیجه افزایش تخریب اگزرژی می‌شود.

آنالیز اگزرژی چگونه به کاهش مصرف انرژی کمک می‌کند؟

آنالیز اگزرژی مستقیماً انرژی مصرفی را کاهش نمی‌دهد؛ بلکه یک ابزار تشخیصی و مهندسی برای شناسایی نقاط دارای بیشترین پتانسیل بهبود است.

برای مثال، در یک سیستم صنعتی ممکن است مشخص شود که کمپرسور، مبدل حرارتی، توربین یا شیر انبساط سهم بالایی در تخریب اگزرژی کل سیستم دارد.

پس از شناسایی جزء بحرانی، پارامترهایی مانند فشار و دمای کاری، افت فشار، اختلاف دمای جریان‌ها، راندمان تجهیزات، سطح انتقال حرارت، آرایش جریان‌ها، شرایط بهره‌برداری و ظرفیت تجهیزات بررسی می‌شوند.

نتایج این بررسی می‌تواند مبنای اصلاح طراحی یا شرایط بهره‌برداری قرار گیرد و در نهایت به کاهش مصرف انرژی و هزینه‌های عملیاتی کمک کند.

بازده اگزرژی چیست؟

بازده اگزرژی یکی از شاخص‌های مهم برای ارزیابی عملکرد یک سیستم از دیدگاه قانون دوم ترمودینامیک است.

به‌صورت کلی می‌توان بازده اگزرژی را به شکل زیر بیان کرد [3]:

η_ex = Ė_P / Ė_F

در این رابطه، η_ex بازده اگزرژی، Ė_P اگزرژی محصول و Ė_F اگزرژی سوخت یا منابع مصرف‌شده است.

تعریف دقیق اگزرژی سوخت و محصول به نوع سیستم و هدف فرایند وابسته است؛ بنابراین این تعاریف باید متناسب با مرزهای سیستم و محصول موردنظر تعیین شوند [3].

کاربرد تحلیل اگزرژی در صنایع:

تحلیل اگزرژی در طیف وسیعی از سیستم‌های انرژی کاربرد دارد، از جمله نیروگاه‌ها، صنایع نفت، گاز و پتروشیمی، پالایشگاه‌ها، سیستم‌های تبرید، سیستم‌های تهویه مطبوع، مبدل‌های حرارتی، کمپرسورها، توربین‌ها، پمپ‌ها، سیستم‌های تولید همزمان برق و حرارت، سیستم‌های هیدروژن، تجهیزات کرایوجنیک و فرایندهای مایع‌سازی گاز.

در سیستم‌های پیچیده، تعیین سهم هر جزء در تخریب اگزرژی می‌تواند به مهندس کمک کند تا منابع اصلی ناکارآمدی را از میان سایر اجزای سیستم تفکیک کند.

کاربرد آنالیز اگزرژی در مایع‌سازی گاز:

یکی از حوزه‌های تخصصی و مهم کاربرد تحلیل اگزرژی، فرایندهای مایع‌سازی گاز است.

فرایندهای مایع‌سازی گاز معمولاً شامل تجهیزاتی مانند کمپرسورها، مبدل‌های حرارتی، شیرهای انبساط، توربین‌های انبساط و سایر تجهیزات برودتی هستند.

در این سیستم‌ها، تنها دانستن مقدار انرژی مصرفی کافی نیست؛ زیرا محل وقوع برگشت‌ناپذیری‌ها نیز بر عملکرد کلی چرخه تأثیر قابل توجهی دارد.

تحلیل اگزرژی می‌تواند برای شناسایی تجهیزات دارای بیشترین تخریب اگزرژی، بررسی عملکرد کمپرسورها، ارزیابی مبدل‌های حرارتی، بررسی افت فشار، ارزیابی تجهیزات انبساطی، بررسی فشارهای بهینه عملیاتی، کاهش توان مصرفی چرخه و افزایش بازده اگزرژی فرایند مورد استفاده قرار گیرد.

از این رو، آنالیز اگزرژی در سیستم‌های مایع‌سازی گاز و فرایندهای کرایوجنیک می‌تواند اطلاعاتی فراتر از موازنه انرژی در اختیار طراح و بهره‌بردار قرار دهد.

تحلیل اگزرژی-اقتصادی چیست؟

در پروژه‌های صنعتی، بهترین گزینه لزوماً گزینه‌ای نیست که کمترین تخریب اگزرژی را داشته باشد؛ زیرا اجرای یک راهکار اصلاحی ممکن است نیازمند سرمایه‌گذاری قابل توجه باشد.

برای پاسخ به این مسئله از تحلیل اگزرژی-اقتصادی (Exergoeconomic Analysis) استفاده می‌شود.

تحلیل اگزرژی-اقتصادی، ارزیابی ترمودینامیکی مبتنی بر تحلیل اگزرژی را با اصول اقتصادی ترکیب می‌کند تا اطلاعاتی برای طراحی و بهره‌برداری اقتصادی‌تر سیستم فراهم شود [3]، [4].

در این روش، می‌توان هزینه تجهیزات، هزینه سرمایه‌گذاری، هزینه بهره‌برداری و هزینه مرتبط با تخریب اگزرژی را در کنار عملکرد ترمودینامیکی بررسی کرد.

به این ترتیب، مهندس می‌تواند مشخص کند که کدام اصلاح فنی از نظر ترمودینامیکی و اقتصادی توجیه بیشتری دارد.

چرا ترکیب تحلیل انرژی، اگزرژی و اقتصادی اهمیت دارد؟

هر یک از این روش‌ها اطلاعات متفاوتی ارائه می‌کند.

تحلیل انرژی مقدار انرژی ورودی، خروجی و مصرف‌شده را مشخص می‌کند.

تحلیل اگزرژی کیفیت انرژی، برگشت‌ناپذیری و تخریب اگزرژی را مشخص می‌کند.

تحلیل اگزرژی-اقتصادی ارتباط میان عملکرد ترمودینامیکی و هزینه‌های سیستم را بررسی می‌کند.

ترکیب این روش‌ها می‌تواند چارچوب مناسبی برای بهینه‌سازی سیستم‌های انرژی، کاهش مصرف انرژی و کاهش هزینه‌های عملیاتی فراهم کند.

جمع‌بندی:

آنالیز اگزرژی یکی از روش‌های قدرتمند مهندسی برای ارزیابی عملکرد سیستم‌های انرژی بر مبنای قانون دوم ترمودینامیک است. این روش با شناسایی برگشت‌ناپذیری‌ها و تخریب اگزرژی، نقاط بحرانی سیستم را مشخص می‌کند و امکان اولویت‌بندی اقدامات اصلاحی را فراهم می‌سازد.

کاربرد تحلیل اگزرژی در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی، نیروگاه‌ها، سیستم‌های برودتی و به‌ویژه فرایندهای مایع‌سازی گاز می‌تواند به شناسایی فرصت‌های بهبود، افزایش بازده ترمودینامیکی و کاهش مصرف انرژی کمک کند.

همچنین، ترکیب تحلیل اگزرژی با تحلیل اقتصادی، امکان ارزیابی هم‌زمان عملکرد فنی و اقتصادی سیستم را فراهم می‌سازد و می‌تواند مبنایی برای تصمیم‌گیری مهندسی در پروژه‌های بهینه‌سازی انرژی باشد.

.

در شرکت اندیشه کیفیت انرژی، استفاده از رویکردهای مهندسی و داده‌محور در تحلیل انرژی، اگزرژی و اگزرژی-اقتصادی می‌تواند برای شناسایی فرصت‌های بهبود و بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌های انرژی و فرایندهای صنعتی مورد استفاده قرار گیرد.

کلمات کلیدی
آنالیز اگزرژی، تحلیل اگزرژی، اگزرژی چیست، تخریب اگزرژی، بازده اگزرژی، قانون دوم ترمودینامیک، تحلیل اگزرژی-اقتصادی، اگزرژی اقتصادی، بهینه‌سازی انرژی، کاهش مصرف انرژی، مایع‌سازی گاز، فرایندهای کرایوجنیک، تحلیل ترمودینامیکی، مدیریت انرژی صنعتی.
منابع
[1] A. Bejan, Advanced Engineering Thermodynamics, 4th ed. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2016.
[2] A. Bejan, G. Tsatsaronis, and M. J. Moran, Thermal Design and Optimization. New York, NY, USA: John Wiley & Sons, 1996.
[3] G. Tsatsaronis, “Definitions and nomenclature in exergy analysis and exergoeconomics,” Energy, vol. 32, no. 4, pp. 249–253, 2007, doi: 10.1016/j.energy.2006.07.002.
[4] G. Tsatsaronis and M. Winhold, “Exergoeconomic analysis and evaluation of energy-conversion plants—I. A new general methodology,” Energy, vol. 10, no. 1, pp. 69–80, 1985, doi: 10.1016/0360-5442(85)90020-9.
[5] M. J. Moran, H. N. Shapiro, D. D. Boettner, and M. B. Bailey, Fundamentals of Engineering Thermodynamics, 8th ed. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, 2014.
[6] I. Dincer and M. A. Rosen, Exergy: Energy, Environment and Sustainable Development, 3rd ed. Cambridge, U.K.: Elsevier, 2021.