طراحی سیستم خنک‌کاری مناسب برای ترانسفورماتورها باعث بهبود عملکرد، افزایش عمر این تجهیزات گران‌قیمت و جلوگیری از هزینه‌های زیاد تعمیرات می‌شود. جناب آقای دکتر ابراهیم‌نیا در یک مطالعه پژوهشی، از روغن گیاهی پسماند به‌عنوان سیال خنککننده ترانسفورماتور استفاده کرده‌اند که در ادامه به آن می‌پردازیم.
۱. با عرض سلام و خسته نباشید خدمت شما پژوهشگر گرامی، لطفاً خودتان را معرفی کنید و شرح مختصری از زمینه کاری، مرتبه علمی و سایر مسئولیت‌های خود بفرمایید.
احسان ابراهیم‌نیا بجستان، دارای مدرک دکترای مکانیک گرایش تبدیل انرژی از دانشگاه فردوسی مشهد (در سال ۱۳۹۱) و در حال حاضر عضو هیئت علمی دانشگاه صنعتی قوچان هستم.
زمینه اصلی مورد علاقه بنده، انرژی و محیط زیست است و در این راستا فعالیت‌هایی درباره انرژی‌های تجدیدپذیر (مشخصاً انرژی خورشیدی و زیست‌توده) داشته‌ام. همچنین از دیگر زمینه‌های کاری بنده، استفاده از مواد و روش‌های نوین (مانند روغن‌های گیاهی و نانوسیال‌ها) برای مدیریت حرارتی تجهیزات مختلف مانند ترانسفورماتورهای برق است.
۲. اخیراً مقاله علمی در خصوص مطالعه امکان‌سنجی استفاده از روغن پسماند گیاهی به‌عنوان سیال خنککننده ترانسفورماتور، توسط شما و همکارانتان منتشر گردیده است، ضمن معرفی سایر همکارانتان، لطفاً توضیحاتی در خصوص ضرورت و هدف از انجام این کار بیان کنید.
این مقاله علمی بخشی از یک پایان‌نامه دکتری است که در دانشگاه فردوسی مشهد و با حمایت شرکت برق منطقه‌ای خراسان در حال انجام است. سایر نویسندگان این مقاله، خانم مهندس لیلا رئیسیان، دانشجوی دکتری، آقای دکتر حمید نیازمند، عضو هیئت علمی گروه مکانیک دانشگاه فردوسی مشهد، و آقای دکتر پیتر ورل، عضو هیئت علمی گروه برق دانشگاه هانوفر آلمان هستند.
یکی از مهمترین و با ارزش‌ترین تجهیزات شبکه‌های انتقال و توزیع برق، ترانسفورماتورها هستند که با بروز هرگونه مشکل در آن‌ها، تحویل انرژی الکتریکی به مشترکین با اختلال جدی مواجه می‌شود. اتلافات انرژی در هسته و سیم‌پیچ ترانسفورماتور باعث تولید حرراتی بالا در آن می‌شود. این افزایش دما در حین کار ترانسفورماتور، عامل اصلی بسیاری از عیب‌های ترانسفورماتور، کاهش راندمان و عمر این تجهیزات است. در نتیجه طراحی سیستم خنک‌کاری مناسب برای ترانسفورماتورها باعث بهبود عملکرد و افزایش عمر این تجهیزات گران‌قیمت، جلوگیری از قطعی‌های ناخواسته و ضررهای مالی ناشی از قطع برق و جلوگیری از هزینه‌های گزاف تعمیرات و تعویض ترانسفورماتورهای فرسوده می‌شود. هدف از این پژوهش نیز ارائه راهکاری نوین برای بهبود خنک‌کاری ترانسفورماتورها به کمک روغن‌های گیاهی پسماند است.
۳. لطفاً در خصوص پیشینه فعالیت صورت گرفته در داخل و خارج از کشور توضیحاتی بفرمایید.
با توجه به اهمیت خنک‌کاری ترانسفورماتور، تلاش‌های زیادی در این زمینه برای ارائه روش‌های مناسب و کم‌هزینه در حال انجام است. این موضوع به‌شدت مورد علاقه کارخانه‌های معروف تولید‌کننده ترانسفورماتور و شرکت‌های تحویل انرژی الکتریکی در دنیاست. در این راستا محققان دانشگاهی و صنعتی در دنیا بر روی بهینه‌سازی هندسه قسمت سرمایش ترانسفورماتور، بهبود خواص سیال عایق استفاده‌شده در ترانسفورماتور، استفاده از سیستم‌های انتقال حرارت جابه‌جایی اجباری به جای جابه‌جایی آزاد و … پیشرفت‌های بسیار مناسبی داشته‌اند.
در کشور ما نیز فعالیت‌هایی در گروه‌های مهندسی برق، شیمی، مهندسی شیمی و مهندسی مکانیک در حال انجام است. برای مثال، من به همراه یک گروه تحقیقاتی دانشگاهی-صنعتی، بر روی این موضوعات در حال انجام پژوهش‌هایی هستم: افزودن نانوذرات به سیال خنککننده؛ بهینه‌سازی هندسه فین‌های به‌کار رفته در ترانسفورماتور؛ استفاده از سایبان بر روی ترانسفورماتور در مناطق با تشعشع خورشیدی زیاد؛ استفاده از مدل‌سازی برای پیش‌بینی دمای بیشینه (دمای نقطه داغ)، پیش‌بینی عمر و زمان تعویض ترانسفورماتور.
۴. سیالی که در حال حاضر در اکثر ترانسفورماتورها استفاده می‌شود چیست؟ معضلات استفاده از سیال‌های رایج چیست؟
ترانسفورماتور روغنی پرکاربردترین نوع ترانسفورماتور است. روغن مورد استفاده در این تجهیزات، از پالایش نفت خام به‌‌دست می‌آید. در نتیجه عیب‌های موجود در سایر مشتقات نفتی در مورد روغن ترانسفورماتور نیز صادق است؛ مشکلاتی نظیر محدودیت ذخایر نفتی، سمیت و آلودگی‌های زیست محیطی.
علاوه بر این موارد، گران‌روی (ویسکوزیته) بالا در کنار ضریب هدایت حرارتی نسبتاً پایین این نوع روغن، از ویژگیهای نامناسب آن برای کاربردهای خنک‌کاری است.
عمر این روغن معدنی نیز با توجه به عوامل مختلف موجود در ترانسفورماتور مانند دمای بالا و حضور رطوبت کاهش قابل ملاحظه‌ای می‌یابد که به آن اصطلاحاً پیر شدگی روغن می‌گویند.
۵. ویژگیهای اصلی سیال واسطه در ترانسفورماتورها چیست؟
ویژگی اصلی روغن ترانسفورماتور، عایق الکتریکی بودن آن است که با توجه به وجود اجزای الکتریکی داخل ترانسفورماتور ضروری است. نقش مهم بعدی روغن، دفع حرارت تولیدشده در اجزای الکتریکی به بدنه ترانس و محیط بیرون، یعنی خنک‌کاری سیم‌پیچ‌ها و هسته ترانسفورماتور است.
علاوه بر این، با توجه به احتمال بالای بروز جرقه در ترانسفورماتور، این نوع روغن باید نقطه اشتعال نسبتاً بالایی داشته باشد.
۶. علت جایگزینی روغن پسماند گیاهی به جای سیال‌های رایج ذکرشده چیست؟
با توجه به آلایندگی‌های زیست‌محیطی مواد فسیلی و همچنین نگرانی‌های ناشی از کاهش ذخایر نفتی، تلاش‌های زیادی برای پیداکردن جایگزین‌های مناسب، مانند روغن‌های گیاهی در حال انجام است. این نوع روغن سازگاری بیشتری با محیط دارد و اصطلاحاً زیست‌‌تجزیه‌پذیر است. همچنین در مورد کاربرد خاص این پژوهش، تلاش بر این بود تا ویژگیهای ضعیف خنک‌کاری روغن معدنی به کمک روغن گیاهی معرفی‌شده بهبود یابد.
۷. میزان پایداری و دوام این روغن در مقایسه با سیال‌های دیگر چه تفاوتی دارد؟
مطالعات در این زمینه در حال انجام است. به‌طور کلی پایداری این روغن گیاهی پسماند نسبت به روغن معدنی پایین‌تر است و این از نقاط ضعف روغن گیاهی است. مطالعات بیشتری برای تقویت این خاصیت نیاز است.
۸. به‌صورت کلی، این نوع سیال واسطه چه معایبی نسبت به سیال‌های رایج مورد استفاده دارد؟
یکی از نگرانی‌های موجود در استفاده‌های صنعتی از روغن گیاهی این است که افزایش تقاضا به افزایش قیمت این مواد غذایی و افزایش فشار بر مصرف‌کنندگان، خصوصاً در کشورهای ضعیف دنیا منجر شود. البته با توجه به استفاده از روغن گیاهی پسماند به جای روغن گیاهی خام در پژوهش حاضر، این نگرانی کاهش می‌یابد.
همچنین افزایش پایداری این روغن در شرایط واقعی و نرخ پیر‌شدن آن در مقایسه با روغن معدنی نیاز به بررسی بیشتری دارد.
۹. ضمن بیان مدت زمان انجام این پروژه، روش انجام آزمایشات و مطالعات خود را بفرمایید.
در طول شش سال گذشته پژوهش‌هایی بر روی خنک‌کاری ترانسفورماتور انجام داده‌ایم، اما به‌طور مشخص بررسی عملکرد روغن گیاهی در ترانسفورماتور به مدت یک سال در حال انجام بوده است که همچنان ادامه دارد. در این پژوهش، روغن گیاهی پسماند جمع‌آوری شده برای مثال از رستوران دانشگاه، تحت فرایندهای تصفیه، استریفیکاسیون، ترانس‌استریفیکاسیون در حضور متانول برای تبدیل اسیدهای چرب روغن به متیل‌استر، قرار می‌گیرند. چندین مرحله خالص‌سازی و فیلترکردن نیز برای افزایش کیفیت لازم است. محصول نهایی اصطلاحاً بیودیزل نیز نامیده می‌شود.
برای امکان‌سنجی استفاده از این روغن گیاهی به‌جای روغن ترانسفورماتور موجود، ویژگیهای مهم مورد نیاز برای کاربرد ترانسفورماتور، اندازه‌گیری شدند که عبارت‌اند از: ولتاژ شکست، نقطه اشتعال، ویسکوزیته (تابع دما و نرخ برش)، چگالی (تابع دما)، ظرفیت حرارتی (تابع دما) و ضریب هدایت حرارتی (تابع دما).
این آزمایشات در آزمایشگاه‌های پر طاووس مشهد، پارک علم و فناوری خراسان رضوی و پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران انجام شدند. نتایج آزمایشات برای روغن ترانسفورماتور مرسوم و روغن گیاهی پسماند مقایسه و تحلیل شد. همچنین از روش دینامیک سیالات محاسباتی بر اساس داده‌های اندازه‌گیری‌شده، برای شبیه‌سازی رفتار خنک‌کاری روغن گیاهی و مقایسه با رفتار روغن معدنی، در داخل یک ترانسفورماتور با ابعاد و شرایط واقعی استفاده شد.
۱۰. ضمن بیان پارامترهایی که ارزیابی نموده‌اید، نتایج حاصل از آنالیزهای مختلف را به‌صورت مختصر شرح دهید.
برای ارزیابی خواص عایق الکتریکی روغن، ولتاژ شکست روغن گیاهی با روغن معدنی مقایسه شد که ۴۸ درصد بهبود ولتاژ شکست هنگام استفاده از روغن گیاهی مشاهده شد. ویسکوزیته روغن گیاهی کاهش چشمگیری نسبت به روغن معدنی نشان داد (برای مثال کاهش ۱۰۰ درصدی و ۲۹ درصدی به ترتیب در دمای ۴۰ و ۸۰ درجه سانتی‌گراد). کاهش ویسکوزیته نقش اساسی در دفع حرارت از ترانسفورماتور دارد. ضریب هدایت حرارتی روغن گیاهی نیز نسبت به روغن معدنی، ۳۳ درصد افزایش یافت. این پارامتر نیز به‌عنوان یکی از شاخص‌های اصلی در انتخاب یک سیال برای کاربردهای خنک‌کاری است. در کنار این موارد، نقطه اشتعال این روغن گیاهی حدود ۱۶۵ درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری شد که ۱۵ درجه بالاتر از نقطه اشتعال روغن ترانسفورماتور معدنی بود. این ویژگی روغن گیاهی معرفی‌شده، افزایش ایمنی ترانسفورماتور را به همراه دارد.
نتایج شبیه‌سازی نشان داد که دمای نقطه داغ هنگام کاربرد روغن گیاهی، ۳ درجه سانتی‌گراد کمتر از کاربرد روغن معدنی است. این کاهش دمای نقطه داغ در طول دوره کاری ترانسفورماتور (بیش از ۳۰ سال) کاهش خرابی و افزایش عمر ترانسفورماتور را نتیجه می‌دهد.
نتیجه کلی حاصل از این آنالیزها، پتاسیل مناسب روغن گیاهی مورد مطالعه را برای جایگزینی روغن ترانسفورماتور معدنی نشان می‌دهد.
۱۱. علاوه بر مباحث فنی، آیا مطالعات اقتصادی نیز بررسی شده است؟
پارامترهای زیادی در مطالعات اقتصادی باید لحاظ شود که هنوز به‌طور جامع در این پژوهش انجام نشده است. اما نکات زیر نشان‌دهنده اقتصادی‌بودن این روش است.
روغن گیاهی استفاده‌شده در این پژوهش، از منابع پسماند و زائد است که صرفه اقتصادی مناسبی دارد. مخصوصاً اینکه، فناوری بازیافت و تولید بیودیزل در کشور وجود دارد و پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای برای تولید در ابعاد صنعتی مشاهده می‌شود.
بهبود خواص عایقی و انتقال حرارتی، باعث افزایش قابل ملاحظه عمر ترانسفورماتور می‌شود که کاهش تعمیرات، قطعی برق و هزینه جایگزینی را به همراه دارد. کاهش خطر آتش‌سوزی با استفاده از روغن گیاهی مورد مطالعه نیز، جلوی هزینه‌های زیاد را خواهد گرفت.
از طرف دیگر، قیمت یک لیتر بیودیزل حاصل از این روغن گیاهی پسماند در بازار، حدوداً لیتری ۳۰۰۰ تومان است که این مبلغ برای روغن ترانسفورماتور معدنی در دو کلاس مختلف حدود ۱۱۰۰۰ تا ۲۳۰۰۰ تومان متغیر است.
۱۲. ایده استفاده از روغن پسماند خوراکی چگونه ایجاد شد؟
مهمترین بحث، نگرانی‌های موجود در مورد افزایش قیمت روغن‌های گیاهی در صورت افزایش کاربردهای صنعتی آن بود. در این راستا بازیافت روغن گیاهی پسماند، ایده مناسبی به نظر رسید. همچنین، تجربه قبلی من در زمینه استفاده از روغن گیاهی پسماند در کاربردهای احتراقی به ایده کاربرد این روغن به‌عنوان سیال انتقال حرارتی کمک کرد.
۱۳. نوآوری این تحقیق را به‌صورت مختصر بیان کنید. برنامه شما برای ادامه این پژوهش در آینده چیست؟
در این پژوهش، ارزیابی روغن گیاهی پسماند به‌عنوان سیال جایگزین روغن ترانسفورماتور معدنی برای اولین بار انجام شد. موارد زیر برای تحقیقات بعدی پیشنهاد شده است:
– آزمایش پیر شدگی روغن گیاهی و مقایسه با روغن معدنی و افزایش پایداری این روغن گیاهی برای تجاری‌سازی این محصول
– بررسی اثر استفاده از روغن گیاهی در یک ترانس توزیع واقعی در شرایط بار‌دهی متفاوت
– پتانسیل‌سنجی روغن گیاهی پسماند به عنوان سیال خنککننده در سایر کاربردهای انتقال حرارتی (با توجه به ویسکوزیته کمتر و ضریب هدایت حرارتی بالاتر نسبت به روغن‌های معدنی) و اصلاح ویژگیهای آن برای انطباق با سایر کاربردها
– پتانسیل‌سنجی استفاده از این روغن گیاهی پسماند به‌عنوان عایق در سایر تجهیزات الکتریکی
– تقویت ویژگیهای این روغن گیاهی با افزودن نانوذرات
۱۴. سودآوری و توجیه ملموس اقتصادی برای صاحبان صنعت جهت استفاده از نتایج این تحقیق چیست؟ آیا برنامه‌ای در این خصوص دارید؟
بازیافت یک منبع تجدپذیر برای یک کاربرد صنعتی می‌تواند جذابیت اقتصادی زیادی داشته باشد. همچنین روغن گیاهی معرفی‌شده می‌تواند جایگزین سایر روغن‌های معدنی در کاربردهای صنعتی دیگر باشد. در این زمینه ویژگیهای مهم هر کاربرد باید بررسی شود و در صورت نیاز ویژگی مورد نظر تقویت شود. لازم به ذکر است که فناوری تبدیل روغن گیاهی به بیودیزل در حجم انبوه در کشور وجود دارد که امکان صنعتی‌کردن این روش را آسان‌تر می‌سازد.
۱۵. نقش نهادهای دولتی و سیاست‌گذار در به‌کارگیری و حمایت از این نوع تحقیقات (استفاده از منابع پسماند در صنایع) چگونه است؟ برنامه شما برای استفاده از این روش در مقیاس‌های بزرگ‌تر و سیاست‌گذاری آن چیست؟
با توجه به قیمت مواد نفتی در ایران و جهان، مواد زیستی و تجدیدپذیر برای قابل رقابت بودن نیاز به حمایت و سیاست‌گذاری دولتی دارند. اگرچه استفاده از منابع پسماند قابلیت رقابت را افزایش می‌دهد، اما این ایده‌ها، در برخی کاربردها هنوز در مراحل اثبات مفهوم و نمونه‌سازی است، که تشویق و حمایت از سرمایه‌گذاران بخش خصوصی را ضروری می‌نماید.
۱۶. موانع و مشکلاتی که در این پروژه با آن مواجه بودید را بیان کنید.
موضوع این پژوهش ماهیتی بین رشته‌ای دارد که نیازمند تخصص‌هایی در زمینه‌های شیمی، مکانیک، برق و کشاورزی است. این امر سرعت پیشرفت پروژه را با کندی مواجه می‌کرد. همچنین تنوع آزمایشات و پراکندگی آزمایشگاه‌های لازم برای بررسی ویژگیهای مورد نظر از موانع موجود بر سر راه این پروژه بود.
۱۷. لطفاً نام سازمان و یا نهادهایی که پروژه شما را حمایت کرده‌اند بیان کنید.
این پژوهش با حمایت شرکت برق منطقه‌ای خراسان انجام گرفت.
۱۸. ضمن تشکر و قدردانی از وقتی که به ما اختصاص دادید، به عنوان بخش پایانی اگر صحبتی برای خوانندگان دارید بفرمایید.
از فرصتی که به من داده شد، سپاس‌گذاری می‌کنم. استفاده از روغن گیاهی پسماند به‌عنوان جایگزین روغن‌های معدنی موجود در کاربردهای مختلف ایده بسیار جذابی است که هم از نظر صنعتی و هم علمی، دستاوردهایی را به همراه خواهد داشت. همچنین توصیه می‌کنم که علاقه‌مندان به حوزه‌های محیط‌زیست و انرژی‌های تجدیدپذیر با دقت بیشتری به این زمینه جذاب نگاه کنند.
☑ مصاحبه‌کننده: جواد طغیانی
