فهرست مطالب

چكيده ………………………………………………………………………………………………………………………..1

فصل اول: آشنايي با سيستم پيشگرمكن هـوا و بررسـي روابـط انتقـالحرارت و افت فشار

1- 1 مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………..3
.1- 2 ركوپراتورها ………………………………………………………………………………………………………….4
.1- 3 انواع ركوپراتورها ……………………………………………………………………………………………………5
.1- 4 بررسي سيستم پيشگرمكن هوا ……………………………………………………………………………….9
.1- 5 مبدل صفحهاي …………………………………………………………………………………………………….14
.1- 6 صفحات مبدل صفحهاي …………………………………………………………………………………………..20
.1- 7 گذرها و آرايش جريان ……………………………………………………………………………………………..23
.1- 8 مشخصههاي كاركرد مبدل صفحهاي …………………………………………………………………………….25
.1- 9 مقايسه مبدل پوسته و لوله و صفحهاي ………………………………………………………………………..26
.1- 10 محاسبات هندسي ………………………………………………………………………………………………27
.1- 11 بررسي روابط انتقال حرارت و افت فشار در مبدل صفحهاي ………………………………………………..29
.1- 12 روابط مبدل صفحهاي تك فازي …………………………………………………………………………………3.0
.1- 13 ضرايب انتقال حرارت ……………………………………………………………………………………………..31
.1- 14 ضرايب افت فشار …………………………………………………………………………………………………33
.1- 15 افت فشار كل در مبدل صفحهاي ……………………………………………………………………………….35
.1- 16 اثرات زاويه شورون ………………………………………………………………………………………………..37

فصل دوم : تئوري مدلسازي عددي جريان در مبدلهاي صفحهاي

.2- 1 مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………..41
.2- 2 معادلات اساسي حاكم بر رژيم جريان آرام ………………………………………………………………………..42
.2- 3 معادلات اساسي حاكم بر رژيم جريان درهم ………………………………………………………………………43
.2- 4 تئوري روش هاي حل ديناميك سيالات محاسباتي ………………………………………………………………..44
2- 6 مدلسازي جريان درهم ………………………………………………………………………………………………..47
.2- 7 مدل k−ε …ا…………………………………………………………………………………………………………….48
.2- 8 بررسي رفتار نزديم ديواره در جريانهاي مغشوش محصور شده ………………………………………………….57

فصل سوم : مدلسازي عددي جريان تك فاز بين صفحات

.3- 1 شرايط مسئله و روابط محاسباتي …………………………………………………………………………………..64
.3- 2 شرايط مرزي ……………………………………………………………………………………………………………65
.3- 3 بررسي پارامترهاي فيزيكي جريان …………………………………………………………………………………..69
.3- 4 هندسه مدل …………………………………………………………………………………………………………..70
.3- 5 شبكهبندي صفحات ………………………………………………………………………………………………….74
.3- 6 روش حل جريان ……………………………………………………………………………………………………..77
.3- 7 مراحل حل مسئله …………………………………………………………………………………………………..81
.3- 8 نتايج بدست آمده …………………………………………………………………………………………………….84

فصل چهارم : نتيجه گيري و پيشنهادات

.4- 1 جمعبندي و نتيجهگيري ……………………………………………………………………………………………103
.4- 2 پيشنهادات …………………………………………………………………………………………………………104
.پيوست ها………………………………………………………………………………………………………………..105.
.پيوست (1)……………………………………………………………………………………………………………….106
.پيوست (2) ………………………………………………………………………………………………………………109
.پيوست (3) ………………………………………………………………………………………………………………114
منابع و ماخذ ………………………………………………………………………………………………………………115
هرست منابع فارسي …………………………………………………………………………………………………….115
فهرست منابع لاتين ……………………………………………………………………………………………………..116
سايت هاي اطلاع رساني ………………………………………………………………………………………………..117
.چكيده انگليسي ………………………………………………………………………………………………………….118

فهرست جد ول ها

1-1 : مواد مورد استفاده در ساخت صفحات مبدل صفحهاي ………………………………………………………….20
.1-2 : مقايسه مبدل جوشي و واشردار ………………………………………………………………………………….26
.1-3 : ضرايب ثابت رابطه افت فشار مبدل صفحهاي ………………………………………………………………….33
.1-4 : ثوابت انتقال حرارت و افت فشار تعدادي از شرايط خاص هندسي (ساندرز) ………………………………..35
.2-1 : مقايسه بين تعدادي از كدهاي تجاري ……………………………………………………………………………41
.2-2 : مزايا و معايب استفاده از كدهاي تجاري با كدنويسي ………………………………………………………….42
.3-1 : اطلاعات عملياتي كوره H-102 ….ا………………………………………………………………………………..65
.3-2 : اطلاعات هندسي مدلها …………………………………………………………………………………………….72
.3-3 : اطلاعات شبكهبندي هندسه 1P …ا………………………………………………………………………………….77
.3-4 : اطلاعات شبكهبندي هندسه 2P …ا………………………………………………………………………………….77
.3-5 : اطلاعات شبكهبندي هندسه 3P ..ا………………………………………………………………………………….77

فهرست نمودارها
.1-1 نمودار اثرات گوگرد بر دماي شبنم ……………………………………………………………………………………..13
.1-2 تجربي ناسلت برحسب زاويه شورون در رينولدز ثابت (مقاله استاسيك) ………………………………………….38
.1- 3 تجربي ضريب فانينگ برحسب زاويه شورون در رينولدز ثابت (مقاله استاسيك) …………………………………..38
.1-4 ضريب فانينگ بر حسب عدد رينولدز (مقاله الشافعي)………………………………………………………………..39
.1-5 عدد ناسلت بر حسب عدد رينولدز (مقاله الشافعي) ………………………………………………………………….39
.3-2 تغييرات +y برحسب طول صفحات ……………………………………………………………………………………..84
.3-3 تغييرات ضريب فانينگ با عدد رينولدز را در مدل 1P …ا………………………………………………………………89
.3-4 عدم وابستگي ضريب فانينگ به تعداد نقاط شبكه مدل 1P ……..ا………………………………………………..89
.3- 5 تغييرات افت فشار با عدد رينولدز را در مدل 1P …ا…………………………………………………………………90
.3-6 تغييرات ضريب فانينگ با عدد رينولدز را در مدل 2P ..ا……………………………………………………………….90
.3-7 عدم وابستگي ضريب فانينگ به تعداد نقاط شبكه مدل 2P ..ا…………………………………………………….90
.3-8 تغييرات افت فشار با عدد رينولدز را در مدل 2P …ا…………………………………………………………………91
.3-9 تغييرات ضريب فانينگ با عدد رينولدز را در مدل 3P …ا……………………………………………………………..91
.3-10 عدم وابستگي ضريب فانينگ به تعداد نقاط شبكه مدل3 P ……….ا…………………………………………….91
.3- 11 تغييرات افت فشار با عدد رينولدز را در مدل3 P ……..ا………………………………………………………….92
.3- 12 تغييرات ضريب با عدد رينولدز را در مدل P1 و 2P و 3P ..ا…………………………………………………………93
.3- 13 تغييرات افت فشار با عدد رينولدز را در مدل P1 و 2P و 3P ….ا…………………………………………………..93
.3- 14 تغييرات عدد ناسلت با عدد رينولدز را در مدل 1P …ا…………………………………………………………….94
.3-15 عدم وابستگي عدد ناسلت به تعداد نقاط شبكه مدل 1P ………ا………………………………………………94
.3-16 تغييرات عدد ناسلت با عدد رينولدز را در مدل 2P ….ا…………………………………………………………….95
.3-17 عدم وابستگي عدد ناسلت به تعداد نقاط شبكه مدل2 P ………..ا……………………………………………..95
-18 تغييرات عدد ناسلت با عدد رينولدز را در مدل3 P ..ا………………………………………………………………….96
3-19 عدم وابستگي عدد ناسلت به تعداد نقاط شبكه مدل 3……………………………………………..……………ا.……96
3-20 تغييرات عدد ناسلت با عدد رينولدز را در مدل P1 و 2P و 3 …………….………………………………………………….97
3-21 تغييرات دماي هوا در طول صفحه در مدل P1 و 2P و 3P ….ا………………………………………………………..99
3-22 مقايسه بين مدل 1P با مدلهاي تجربي ……………………………………………………………………………….99
3-23 مقايسه بين مدل 2P با مدلهاي تجربي ……………………………………………………………………………..100
3-24 مقايسه بين مدل 3P با مدلهاي تجربي …………………………………………………………………………….100

فهرست اشكال

1-1 نمايي از يك ركوپراتور………………………………………………………………………………………………………5
.1-2 ركوپراتور تشعشعي فلزي ………………………………………………………………………………………………6
.1-3 ركوپراتورهاي پوسته و لوله ………………………………………………………………………………………………7
.1- 4 ركوپراتور فشرده ………………………………………………………………………………………………………….8
.1- 5 ركوپراتور صفحهاي ……………………………………………………………………………………………………….8
1-.6 ركوپراتور تشعشعي – جابجايي نامتجانس يا غيرهمگن ……………………………………………………………….9
.1-7 سيستم . هاي پيشگرمكنهاي هواي احتراق كوره Balanced Draft ..ا……………………………………………..10
.1- 8 سيستم . هاي پيشگرمكنهاي هواي احتراق كوره Forced Draft …ا………………………………………………..… 10
1-.9 سيستم . هاي پيشگرمكنهاي هواي احتراق كوره Induced Draft .ا……………………………………………….11
1-10 سيستم . هاي پيشگرمكن Balanced Draft توسط يك مبدل مستقيم …………………………………………..12
1-11 نمايي از يك مبدل صفحهاي ……………………………………………………………………………………………..14.
1-12 نمايي از كندانسورهاي صفحهاي ……………………………………………………………………………………….15
1-13 الگوي جريـان در ايـن تجهيـزات بـه همـراه تجهيـزات مكـانيكي در مبـدل ……………………………………………16
.1- 14 مبدل صفحهاي جوشي مدلTM20 شركت Alfalavalا ……………………………………………………………..17
.1- 15 نمونهاي از اين مبدل صفحهاي فيندار ………………………………………………………………………………..18
.1- 16 مبدل صفحهاي لحيم كاري شده …………………………………………………………………………………….19
. Fusion-Bonded مبدل صفحهاي 17 -1……………………………………………………………………………………..19
.1-18 انواع صفحات مورد استفاده در مبدلهاي صفحهاي …………………………………………………………………21
.1- 19 نمايش زاويه شورن در مبدلهاي صفحهاي ………………………………………………………………………….21
.1- 20 آرايشهاي مختلف قرار گرفتن صفحات شورون …………………………………………………………………….22
.1- 21 نحوه آرايش جريان عبوري از روي صفحات …………………………………………………………………………..23
.1- 22 انواع گذرها در مبدلهاي صفحهاي …………………………………………………………………………………….24
1- 23 يك مبدل صفحهاي ميتواند جايگزين 6 مبدل پوسته و لوله …………………………………………………………..26
1-24 هندسه شيارهاي مبدلهاي صفحهاي ………………………………………………………………………………….28
1-25نمايش مسير جريان در دو هندسه مختلف ……………………………………………………………………………..37
1-26نماي عرضي يك سلول شيار ……………………………………………………………………………………………38
2-1 نمايش لايه مرزي ………………………………………………………………………………………………………….58
2-2 دو روش كلي براي مدل كردن ديواره …………………………………………………………………………………….59
3-1 نحوه محاسبه فشار خروجي در روش Density Based .ا……………………………………………………………..67
3- 2 شرط مرزي تقارن و نمايي از ديوار دو طرفه …………………………………………………………………………..69
3- 3 هندسه صفحات براي يك مبدل صفحهاي ……………………………………………………………………………..70
3- 4 مبدل TM20 شركت آلفالاوال …………………………………………………………………………………………….70
3-5 اطلاعات طراحي صفحات مبدل TM20 شركت آلفالاوال ……………………………………………………………….71
.3-6 نمايي از صفحه شورون ……………………………………………………………………………………………………72
.3- 7 شبكهبندي چهارضلعي(مربعي) مدل 1P (صفحه تخت)……………………………………………………………….75
.3- 8شبكهبندي چهارضلعي(مربعي) مدل 2P .ا……………………………………………………………………………..76
.3- 9 شبكهبندي سهضلعي(مثلثي) مدل 3P ..ا………………………………………………………………………………76
3-.10 شماتيك مراحل حل مسئله با استفاده از روش .Density Based .ا…………………………………………………..78
3-11 بردار سرعت در هندسه 1y=0.5) P) ..ا……………………………………………………………..و………………….84
3-12 بردار سرعت در هندسه 2y=0.5) P) .ا………………………………………………………………………………….85
3-13 بردار سرعت در هندسه 3y=0.5) P) .ا…………………………………………………………………………………..85.
3-14 كانتور سرعت در هندسه 2y=0.5) P) …ا………………………………………………………………………………..86
3-15 كانتور سرعت در هندسه 3y=0.5) P) .ا…………………………………………………………………………………86
3-16 كانتور شدت آشفتگي در هندسه 2y=0.5) P) …..ا…………………………………………………………………….87
3-17 كانتور شدت آشفتگي در هندسه 2y=0.5) P) …ا………………………………………………………………………88
.3- 18 كانتورهاي دماي هواي خروجي مدل1P …ا……………………………………………………………………………..97
.3- 19 كانتورهاي دماي هواي خروجي مدل 2P ….ا……………………………………………………………………………98
.3- 20 كانتورهاي دماي هواي خروجي مدل 3P ..ا……………………………………………………………………………..98
(1) حجم كنترل تك بعدي ………………………………………………………………………………………………………..114

کاربرد و مدل سازی مبدل های صفحه ای در بازیافت انرژی از گازهای زاید پالایشگاه

کاربرد و مدل سازی مبدل های صفحه ای در بازیافت انرژی از گازهای زاید پالایشگاه

فصل اول
در حال حاضر وضعيت مصرف انرژي در بخش صنعت به گونهاي است كه از نظر مقدار، حدود 3.29 درصد واز نظر ارزش حدود4.20 درصد از كل مصرف نهايي انرژي كشور را به خود اختصاص داده است.
كل مصرف انرژي بخش صنعت در سال 1385 معادل 7.36 ميليون بشكه نفت خام بوده كه ارزش آن بيش از 7.4 ميليارد دلار است.
بخش عمده انرژي مورد نياز صنايع، از احتراق سوختهاي فسيلي تامين ميشود. از اينرو كمتر صنعتي را ميتوان يافت كه به نوعي از سيستمهاي احتراقي بهره مند نباشد. بدون استثناء در هر سيستم احتراقي وجود مشعل براي توليد انرژي حرارتي ضروري است. از طرف ديگر بخش عمده استفاده اين مشعلها در رابطه با كورههاي صنعتي و توربينهاي گازي ميباشد. برخي از موارد استفاده از اين تجهيزات در صنايع عبارتند از:
½ كورههاي ذوب و تصفيه فلزات
½ كورههاي عمليات حرارتي
½ كورههاي صنايع پالايشگاهي و پتروشيمي
½ توربينهاي گازي نيروگاههاي توليد برق
از آنجايي كه معمولا در سيستمهاي با دماي بالا اتلاف انرژي زياد است، و از طرفي فرآيند احتراق نيز همواره در دماي بالا صورت ميگيرد، در بيشتر موارد پتانسيل صرفه جويي انرژي در سيستمهاي احتراقي يك واحد صنعتي، بيش از ساير قسمتهاي آن ميباشد. بنابراين با توجه به گستردگي استفاده از سيستمهاي احتراقي در صنايع، در صورت توجه به بهينهسازي اين تجهيزات، به مقدار زيادي در مصرف سوخت واحدهاي صنعتي صرفه جويي خواهد شد.
بعلاوه وقتي از عمر كوره و سيستم احتراقي، بيش از 10 سال ميگذرد، اين بدان معني است كه بازده آن در بهترين شرايط كمتراز 55 درصد است. به عبارت ديگر، اين سيستم تقريباً نيمي از انرژي حرارتي سوخت را اتلاف ميكند. هموار ه ميتوان مقدار قابل ملاحظهاي از تلفات انرژي سيستم را كاهش داد.
در صورتيكه بتوان با استفاده از تجهيزاتي از انرژي اين گازها استفاده كرد و هواي مورد نياز را براي احتراق پيشگرم كرد، به مقدار قابل ملاحظه اي در مصرف سوخت صرفهجويي ميشود. انجام اين كار ضمن بهبود فرآيند احتراق و افزايش دماي شعله از احتراق ناقص سوخت نيز جلوگيري ميكند. نمونهاي از اين تجهيزات بازيافت انرژي ركوپراتورها هستند. به طور كلي اثرات استفاده از سيستمهاي بازيابي انرژي را مي توان به دو دسته طبقه بندي كرد

½ اثرات استفاده مستقيم : بازيابي انرژي هدررفته بر روي راندمان فرآيند تاثير مـستقيم دارد ايـن عمـلباعث كاهش در مصرف و هزينههاي جانبي1 آب، برق، بخار و………… هزينه فرآيند ميشود.
½ اثرات استفاده غيرمستقيم: مزيت اثرات استفاده غيرمستقيم به شرح زير ميباشد:
الف)كاهش آلودگي
در كوره ها مقداري از مواد سمي ناشي از احتراق مانند دي اكسيدكربن، گاز ترش كربن سياه، گـاز باقيمانده پلاستيكهاي شيميايي و غيره در اتمسفر آزاد ميشوند. و هدف براي ما بازيابي انرژي و كـاهشآلودگي هاي محيط زيست ميباشد.
ب)كاهش سايز و اندازه تجهيزات
بازيابي انرژي تلف شده مصرف سوخت را كاهش ميدهد كه سبب كاهش گازهاي توليدي احتـراقهم ميشود. اين نتايج سايز تجهيزات براي همه دستگاههايي كه گازهاي حاصل از احتـراق در آنهـا بكـارميرود را كاهش ميدهد مانند فنها، دودكش كوره، مشعلها و………… .
ج)كاهش مصرف انرژي
علاوه بر اين كاهش در اندازه تجهيزات سبب كاهش در مصرف انرژي هم ميشود همانند كاهش مصرف الكتريسيته براي فن ها و پمپها و غيره
1-2) ركوپراتورها
ركوپراتورها نوع خاصي از مبدلهاي حرارتي هستند كـه سيـستمهـاي گـاز- گـاز و گـاز- مـايع راپوشش مي دهد. ضريب انتقال گازها به طور قابل توجهي از مايعات كمتر است اغلب براي رسيدن بـهΔT منطقي نيازمند سطوح گسترش يافته (لوله هاي فين دار) هستيم علاوه بر اين جريان گـاز گـرم اغلـبداراي ذرات گردوغبار است كه در اين تجهيزات موجب مشكلات عملياتي و رسـوب گرفتگـي2 مـي گـردد.
براي حل اين مشكلات ميتوان جنس لوله مبدلها را شيشهاي انتخاب كرد البته مبدلهاي لولهاي شيـشهاي به طور نسبي انتقال حرارت ضعيف كمي دارند اما آسـان تميـز مـيشـوند . شـكل 1-1 نمـايي از يـكركوپراتور را نشان ميدهد. بطور معمول در صنعت جنس اين تجهيزات بصورت زير انتخاب ميشود:
½ فولاد
½ فولاد ضد زنگ
½ شيشه يا پلاستيك مقاوم در برابر درجه حرارت بالا
ايي از يك ركوپراتور

1-3) انواع ركوپراتورها
سادهترين نوع اين تجهيزات نوع پوسته و لوله و انواع ديگر شامل رجنراتورها چرخ گرمايي
(Heat wheel) ميباشند كه قوانين متفاوتي دارند كه در آنها تبادل بين گازهاي سرد و گرم با ذخيره انرژي در زمان كوتاه صورت ميپذيرد. كه با توجه به طبيعت جريان فرآيند و دماي عملياتي ركوپراتورها انتخاب و استفاده ميشوند.
دسته ديگري از ركوپراتورها اساس آنها انرژي ذخيره شده با استفاده از جامد واسطه ميباشـد كـههم به صورت ساكن و هم به صورت متحرك وجود دارند نوع ساكن به طور شاخص محفظـه اي اسـت كـه گازهاي خروجي دودكش وارد و سپس خنك ميشوند اين حالت بـراي گازهـاي ذرات معلـق بـا دماهـايخيلي بالا مناسب هستند از اين رو در صنايع فلزي از بازيابي انرژي گازهاي خروجي در كورههاي آهن ازاين روش استفاده ميشود نوع متحرك اين دسته دستگاه متحرك بزرگي به نام چرخ گرمايي ميباشد كه از يك طرف هواي داغ و از سوي ديگر هواي گرم خارج ميشود اين مبدل بـه آرامـي گرمـاي چـرخ وگرماي خود را در معرض هواي سرد ميگذارد اين مبدلها براي هوايي با دماي متوسـط و پـايين اسـتفادهميشوند كه در واقع در گروه رجنراتورها جاي ميگيرند. در ادامـه بـه بررسـي ايـن تجهيـزات از لحـاظعملياتي خواهيم پرداخت.

1- 3-1) انواع ركوپراتور از لحاظ عملياتي
1- ركوپراتور تشعشعي
هنگاميكه كه دماي گازهاي حاصل از احتراق خروجي از دودكش بيشتر از 600 درجه سـانتيگـرادباشد. اين نوع ركوپراتورها مناسب هستند. ركوپراتورهايAnnular Radiant و ركوپراتور دولولهاي شـاملاين گروه ميشوند.
الف- ركوپراتور تشعشعي فلزي
سادهترين نوع ركوپراتورهاي تشعشعي، ركوپراتور تشعشعي فلزي است كه شامل دو لوله هم مركـزطولي است كه در شكل 1-2 نمايش داده شده است.

لوله داخلي گازهاي گرم خروجي از كوره را به همراه دارد و لوله بيروني هوايي كه از اتمـسفر بـراياحتراق در ورودي كوره است را شامل ميشود. گازهاي داغ به وسيله هـواي احتـراق خنـك مـيگـردد . از طرفي هواي احتراق گرم ميشوند و با انرژي افزوده شده وارد محفظه احتراق ميشود. معمولا جريان گـازبه صورت موازي، انتقال حرارت مؤثرتري را نسبت به جريان مخالف انجام ميدهد. دليل ايـن امـر بخـاطراين است كه در اين نوع ركوپراتورها غالباً يك فرآيند اضافي براي خنك كردن لولـههـايي كـه گازهـايخروجي را به بيرون حمل ميكنند فر اهم مي كنند و در نتيجه طـول عمـر اقتـصادي دسـتگاه را افـزايش ميدهند و اين عمل راندمان را نيز افزايش ميدهد.
ب- ركوپراتور سراميكي
محدوديت عمده بازيابي انرژي از ركوپراتورهاي فلزي، كاهش عمر آنها در دماهاي بيش از 1100 درجه سانتيگراد ميباشد. براي محدودههاي دمايي بالا ناشي از ناكارآمدي ركوپراتورهاي فلزي از ركوپراتورهاي با لولههاي سراميكي استفاده ميشود.
2- ركوپراتورهاي جابجايي
اگر دماي گازهاي حاصل از احتراق خروجي از دودكـش كمتـر از 600 درجـه سـانتي گـراد باشـدركوپراتورهاي تشعشعي براي بازيابي انرژي مناسب نيستند بايد از ركوپراتورهاي جابجايي اسـتفاده كـرد.
ركوپراتورهاي پوسته و لولهاي و صفحهاي شامل اين گروه هستند.
الف- ركوپراتورهاي پوسته و لوله
در اين نوع از ركوپراتورها جريان گازهاي حاصل از احتراق از داخل لولههاي موازي و هـوا نيـز واردمحيط پوسته ميشود. شكل1-3 نمايي از ركوپراتور پوسته و لوله را نشان ميدهد.

‌ب- ركوپراتورهاي فشرده
ركوپراتورهاي فشرده از مجموعهاي فشرده از پرههاي صفحهاي، پرههاي لولهاي و صفحات موازي تشكيل شدهاند و عموماً براي سيالات گازي مورد استفاده قرار ميگيرند استراتژي كلي در اين نوع تجهيزات دستيابي به سطح بالايي از انتقال حرارت در يك حجم مشخص است بعلاوه در اين نوع ركوپراتورها تقاطع كم در نتيجه جريان آرام را نتيجه ميدهد. شكل 1-4 اين نوع ركوپراتور را نميش ميدهد.

‌ج- ركوپراتورهاي صفحهاي
ركوپراتورهاي صفحهاي از اجزاي سبكي تشكيل شدهاند، صفحات موجدار و خميده توسط ميلهاي به يكديگر متصل و يا جوش داده شدهاند، جريان در اين نوع ركوپراتورها بصورت كانال موازي بوده و داراي نظم خاصي ميباشند. شكل1- 5 نمايي ساده از اين تجهيز را نشان ميدهد.
محدوده عملياتي اين تجهيزات براي صفحات جوشي350 درجه سانتيگراد، و فشار 40 بار و براي مدل واشردار 260 درجه سانتيگراد، و فشار 20 بار ميباشد.از مزاياي اين تجهيزات ميتوان به سهولت در تميز كردن و رسيدن به جريان كاملاً متقابل اشاره كرد از طرف ديگر اين نوع ركوپراتورها افت فشار بيشتري را نسبت به نوع پوسته لولهاي دارند كه خود اين از معايب اين تجهيزات بشمار ميآيد.

کاربرد و مدل سازی مبدل های صفحه ای در بازیافت انرژی از گازهای زاید پالایشگاه

کاربرد و مدل سازی مبدل های صفحه ای در بازیافت انرژی از گازهای زاید پالایشگاه

فصل سوم
مدلسازي عددي جريان تك فاز بين صفحات
3) مدلسازي عددي جريان تك فاز بين صفحات
هدف اصلي در اين بخش مدلسازي عددي جريان تك فاز در بين صفحات مبدل حرارتي صفحهاي ميباشد. براي اين منظور از Fluent 6.3.26 كه بر پايه روش حجم كنترل بنا گرديده است استفاده شده است. معادلات ناوير استوكس، انرژي و همچنين معادلات مربوط به جريان آشفته در اين مدلسازي بر اساس روابط و مدلهاي معرفي شده در فصل چهارم و با فرض ثابت بودن دبي در ورودي انجام گرديده است. در پايان نتايج بدست آمده با هم مقايسه ميشود. و براي هر كدام از مدلها بخاطر نبود روابط تجربي، با استفاده از نتايج مدلسازي روابطي را براي عدد ناسلت و ضريب فانينگ مييابيم.

3-1) شرايط مسئله و روابط محاسباتي
مدلسازي براي جريان گاز- گاز انجام ميپذيرد براي اين كار از گازهاي احتراق خروجي از دودكش كوره براي پيشگرمايش هواي ورودي به محفظه احتراق استفاده ميشود. براي انجام اين مدلسازي از يك مدل واقعي كه در ايران استفاده ميگردد بهره جستهايم. فرآيند پيشگرمايش هواي احتراق از سال 1993 در پالايشگاه اراك آغاز شده است، نوع سيستم پيشگرمايش مورد استفاده سيستم Balanced Draft ميباشد، در اين نوع پيشگرمايش از دو فن Forced Draft (F.D.) و Induced Draft (I.D.) استفاده ميشود. اين سيستم تعادلي (Balanced) بوده، زيرا هواي احتراق ورودي كه توسط فن F.D. تأمين مي شود با هواي خروجي ناشي از فنI.D. متعادل مي گرددشكل 1-7 سيستم پيشگرمكن پالايشگاه اراك را نشان ميدهد.

در پالايشگاه اراك براي غلبه بر مشكلات عملياتي ناشي از وجود گوگرد در گازهاي احتراق خروجي كه به صورت اسيدسولفوريك ميعان سبب خوردگي ميشود از پيش گرم كردن هواي احتراق با بخار كم فشار(LP) استفاده شده است بنابراين براي هواي ورودي به پيشگرمكن از اطلاعات شرايط طراحي پيشگرمكن پالايشگاه اراك استفاده شده است.
امروزه فرآيند پيشگرمايش هواي احتراق در پالايشگاههاي اراك و بندر عباس انجام ميگيرد، براي بهينه كردن مدلسازي، در اين پاياننامه مدلسازي فرآيند پيشگرمايش را براي يكي از كورههاي پالايشگاه تهران انجام ميگيرد.
بر اساس اطلاعات عملياتي ارائه شده توسط اداره پژوهش و توسعه شركت پالايش نفت تهران، و محاسبات انجام شده دما، دبي، آناليز سوخت و آناليز گازهاي خروجي از دودكش كوره H-102 مطابق جدول3-1 ميباشد.
دماي هواي ورودي به پيشگرمكن هوا را 50 درجه و فشار ورودي را 1.2 بار در نظر گرفتهايم.
پارامترهاي فيزيكي جريان هوا در Fluent 6.3.26 محاسبه ميگردد.

3- 2) شرايط مرزي
3- 2-1) اعمال شرايط مرزي جريان ورودي بين صفحات
شرط مرزي جريان ورودي بين صفحات Pressure Inlet انتخاب گرديده است، شرط مرزي Pressure Inlet براي تعريف فشار سيال در ورودي جريان با تمامي خواي اسكالر جريان، به كار ميرود. اين شرط مرزي هم براي جريان تراكمپذير و تراكمناپذير مناسب ميباشد. اين شرط مرزي را زماني كه فشار ورودي معلوم باشد؛ اما دبي جريان يا سرعت آن دقيق مشخص نباشد استفاده ميگردد. با توجه به اينكه مدلسازي براي جريان گاز- گاز انجام ميپذيرد؛ لذا تراكمپذيري جريان در بين صفحات امر بديهي ميباشد. بنابراين براي محاسبه فشار كل براي سيال تراكمپذير خواهيم داشت:

(3-1) ⎤γ
Pο = Ps ⎢⎡1+M 2 ⎥ γ−1
⎣⎦

در رابطه فوق Pο فشار كل، Ps فشار استاتيك، M عدد ماخ و γنسبت گرماي ويژه ⎟⎟⎞⎠CCVP ⎝⎜⎜⎛ ميباشد. و براي سيال قابل تراكم، دانسيته در صفحه ورودي به وسيله قانون گاز كامل بيان ميشود.

(3-2) ρ= POPR + P
MW s

كه در آن P فشار نسبي محلي است كه و POP نيز فشار عملكرد ميباشد و R ثابت گاز و TS دماي استاتيك ميباشد كه از فرمول زير به دست ميآيد:
TTS° =1+ M 2 (3-3)

در رابطه فوق Tοدماي كل سيال غيرقابل تراكم M عدد ماخ و γنسبت گرماي ويژه ⎠⎟⎞⎟CCVP ⎝⎜⎜⎛ ميباشد.

3- 2-2) اعمال شرايط مرزي جريان خروجي از صفحات
شرط مرزي جريان ورودي بين صفحاتPressure Outlet انتخاب گرديده است، روش حل در شرط مرزي خروجي فشار در روش حل Density Based كه در اين پاياننامه استفاده شده است، به اين صورت است كه ابتدا مقدار فشار استاتيكي PS كه توسط كاربر مشخص ميشود و فشار در وجوه شرط مرزي Pressure Outlet با كمك شيوه +AUSM كه توسط ليوو ارائه شده، بيان ميگردد. در اين روش با توجه به شكل3-2 كه در آن Pf فشار وجه، PC فشار سلول داخلي نزديك به وجه خروجي، Pe فشار خروجي كه توسط كاربر معين شده و M n عدد ماخ ميباشد.
بنابراين در اين روش +AUSM فشار خروجي در طول مرز ثابت نخواهد بود، ولي مقدار آن نزديك به مقدار فشار خروجي كه ابتدا مشخص شده است، ميباشد.
در اين نوع شرايط مرزي براي رسيدن به همگرايي مطلوبتر جواب، گزينه هدفگيري جرمي
(Target Mass Flow Rate) انتخاب ميشود با استفاده از اين گزينه در ناحيه خروجي فشار، نرخ دبي جرمي مطلوب براساس تنظيمات فشار بهينه ميگردد اين روش بر اساس معادله برنولي عمل ميكند. در اين روش با تنظيم كردن مقدار فشار در هر تكرار (يعني مقدار فشار را در هر تكرار اندكي كاهش و در تكرار بعدي دوباره افزايش مييابد) و استفاده از رابطه زير به مقدار مطلوب و مورد نياز نرخ دبي جرمي در مرز خروجي فشار ميرسيم.

dP = 0.5ρave (m•2 − meq•2)(ρave A)2 (4-3)

در رابطه فوق dP تغييرات فشار، •m نرخ دبي جرمي محاسبه شده جاري، •meq نرخ دبي جرمي مطلوب مورد نياز، و ρaveدانسيته ميانگين در مرز خروجي فشار و A مساحت سطح مرز خروجي فشار ميباشد.

3- 2-3) اعمال شرايط مرزي بروي ديوار
شرط مرزي ديواره براي محصور كردن نواحي سيال و جامد به كار ميرود. در واقع هنگاميكه معادله انرژي حل ميشود لازم است شرط مرزي دمايي و حرارتي در ديوارهها تعيين گردد. در اين پاياننامه چون اثرات حرارتي جريان مخالف گازهاي حاصل از احتراق و هوا بواسطه يك ديوار نازك مدنظر ميباشد شرط مرزي ديوار دوطرفه يا (Two-Sided-Wall) اعمال ميشود شكل3-3 ديوار دوطرفه را نشان ميدهد.
اگر در هر دو طرف ديوار، سيال وجود داشته باشد، ديوار دو طرفه (Two-Sided_Wall) ايجاد ميگردد. در اين نوع شرط مرزي با كمك گرفتن از نرمافزار Gambit و با تعريف دو سيال در دو طرف ديوار، بواسطه انتخاب Continuum در اين نرمافزار ديوار دوطرفه را پديد ميآيد. هنگاميكه شبكهاي داراي مشخصات فوق باشد و در Fluent 6.3.26 خوانده شود يك ناحيه سايه خورده (Shadow) به صورت اتوماتيك براي هر طرف ديوار تشكيل ميشود تا هر طرف ديواره به يك ناحيه ديواري مجزا تبديل شود در اين حالت امكان اينكه براي هر طرف ديواره شرايط دمايي متفاوت اعمال نمود يا هر دو طرف ديواره را به هم ارتباط داد پديد ميآيد.
براي مرتبط كردن دو طرف ديوار گزينه Coupled انتخاب ميگردد.(اين گزينه وقتي ديوار دوطرفه باشد وجود دارد) در اين حالت چون نرمافزار مستقيماً انتقال حرارت را از حل در سلولهاي مجاور محاسبه ميكند، هيچ شرط مرزي ديگري (مانند شرط دما ثابت، شار ثابت، انتقال حرارت جابجايي) براي ديواره نياز نداريم، با اين وجود ميتوان جنس ديواره و ضخامت ديواره را براي حل دقيقتر مسئله در نرمافزار وارد كنيم. در اين پاياننامه بر اساس اطلاعات شركت آلفالاوال جنس ديواره استنلساستيل انتخاب گرديده و پارامترهاي فيزيكي پيشفرض نرمافزار(ضريب هدايت گرمايي ديواره) نيز اصلاح گرديده است؛ بعلاوه ضخامت ديواره مذكور نيز بين 6.0 تا 8.0 ميليمتر انتخاب شده است.
علاوه بر اين ميبايست شرايط تنش برشي ديواره را نيز مشخص كرد، در سيالهاي لزج شرط عدم لغزش (No–Slip) در حركت جريان سيال برروي ديوار در نظر گرفته ميشود؛ در اين حالت سيال نزديك به ديواره داراي سرعت صفر ميباشد يا به عبارت ديگر تنش روي ديوارهها صفر ميباشد.
3- 2-4) شرط مرزي تقارن (Symmetry)
هنگاميكه هندسه فيزيكي و الگوي جريان سيال و دما داراي تقارن آينهاي باشند، از اين شرط مرزي استفاده ميشود. در اين پاياننامه براي مدل كردن صفحات مبدل صفحهاي چون الگوي جريان سرعت ودما تقارن دارد از اين نوع شرط مرزي استفاده شده است.
3- 3) بررسي پارامترهاي فيزيكي جريان
با توجه به اينكه جريان عبوري از بين صفحات گاز- گاز ميباشد و تغييرات دمايي نيز در اين حين رخ ميدهد، ناگزير جريان عبوري از بين صفحات تراكمپذير بوده كه براي محاسبه دانسيته در بين صفحات در طول حل در جريانهاي تراكمپذير بهترين انتخاب استفاده از قانون گاز ايدهآل ميباشد، براي لزجت هوا نيز قانون ساترلند و براي گازهاي حاصل از احتراق از تئوري جنبشي استفاده شده است، بعلاوه براي ظرفيت گرمايي و ضريب هدايت گرمايي نيز از تئوري جنبشي استفاده شده است كه در پيوست (2) توضيحات كاملي در رابطه با پارامترهاي فيزيكي جريان ارئه شده است.

3- 4) هندسه مدل
هندسه صفحات در يك مبدل حرارتي صفحهاي در شكل 3- 4 آورده شده است با توجه به اينكه ميخواهيم اثرات جريان سرد و گرم با ضخامت ديواره نازك مورد بررسي قرار گيرند؛ لذا نميتوان از فرضيات ساده شونده استفاده كرد و جريان را بصورت پريوديك در نظر گرفت و جريان را فقط در يكي از شيارها بررسي كرد، بلكه ميبايست اثرات كل جريان عبوري از صفحات مد نظر قرار گيرد كه همين مسئله با توجه به پيچيدگي شكل صفحات سبب زمانبر بودن حل ميگردد.

با توجه به مطالب بيان شده طول صفحاتي كه جريانهاي سرد و گرم از آن عبور ميكنند حائز اهميت ميباشد؛ لذا براي افزايش دقت مدلسازي از طول يك مدل واقعي شركت آلفالاوال استفاده شده است، مدل TM 20 كمپاني آلفالاوال يك مبدل صفحهاي به منظور بازيابي انرژي ميباشد كه بر طبق اطلاعات شركت مذكور براي جريانهاي مايعات و گازها قابل استفاده است و در شكل3- 5 نشان داده شده است. اطلاعات طراحي صفحات اين مبدل نيز در ادامه در شكل3- 6 نمايش داده شده است.

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان