فهرست مطالب

چکیده ………………………………………………………………………………………………………………………..1

فصل اول: آشنایی با سیستم پیشگرمکن هـوا و بررسـی روابـط انتقـالحرارت و افت فشار

1- 1 مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………..3
.1- 2 رکوپراتورها ………………………………………………………………………………………………………….4
.1- 3 انواع رکوپراتورها ……………………………………………………………………………………………………5
.1- 4 بررسی سیستم پیشگرمکن هوا ……………………………………………………………………………….9
.1- 5 مبدل صفحهای …………………………………………………………………………………………………….14
.1- 6 صفحات مبدل صفحهای …………………………………………………………………………………………..20
.1- 7 گذرها و آرایش جریان ……………………………………………………………………………………………..23
.1- 8 مشخصههای کارکرد مبدل صفحهای …………………………………………………………………………….25
.1- 9 مقایسه مبدل پوسته و لوله و صفحهای ………………………………………………………………………..26
.1- 10 محاسبات هندسی ………………………………………………………………………………………………27
.1- 11 بررسی روابط انتقال حرارت و افت فشار در مبدل صفحهای ………………………………………………..29
.1- 12 روابط مبدل صفحهای تک فازی …………………………………………………………………………………3.0
.1- 13 ضرایب انتقال حرارت ……………………………………………………………………………………………..31
.1- 14 ضرایب افت فشار …………………………………………………………………………………………………33
.1- 15 افت فشار کل در مبدل صفحهای ……………………………………………………………………………….35
.1- 16 اثرات زاویه شورون ………………………………………………………………………………………………..37

فصل دوم : تئوری مدلسازی عددی جریان در مبدلهای صفحهای

.2- 1 مقدمه ………………………………………………………………………………………………………………..41
.2- 2 معادلات اساسی حاکم بر رژیم جریان آرام ………………………………………………………………………..42
.2- 3 معادلات اساسی حاکم بر رژیم جریان درهم ………………………………………………………………………43
.2- 4 تئوری روش های حل دینامیک سیالات محاسباتی ………………………………………………………………..44
2- 6 مدلسازی جریان درهم ………………………………………………………………………………………………..47
.2- 7 مدل k−ε …ا…………………………………………………………………………………………………………….48
.2- 8 بررسی رفتار نزدیم دیواره در جریانهای مغشوش محصور شده ………………………………………………….57

فصل سوم : مدلسازی عددی جریان تک فاز بین صفحات

.3- 1 شرایط مسئله و روابط محاسباتی …………………………………………………………………………………..64
.3- 2 شرایط مرزی ……………………………………………………………………………………………………………65
.3- 3 بررسی پارامترهای فیزیکی جریان …………………………………………………………………………………..69
.3- 4 هندسه مدل …………………………………………………………………………………………………………..70
.3- 5 شبکهبندی صفحات ………………………………………………………………………………………………….74
.3- 6 روش حل جریان ……………………………………………………………………………………………………..77
.3- 7 مراحل حل مسئله …………………………………………………………………………………………………..81
.3- 8 نتایج بدست آمده …………………………………………………………………………………………………….84

فصل چهارم : نتیجه گیری و پیشنهادات

.4- 1 جمعبندی و نتیجهگیری ……………………………………………………………………………………………103
.4- 2 پیشنهادات …………………………………………………………………………………………………………104
.پیوست ها………………………………………………………………………………………………………………..105.
.پیوست (1)……………………………………………………………………………………………………………….106
.پیوست (2) ………………………………………………………………………………………………………………109
.پیوست (3) ………………………………………………………………………………………………………………114
منابع و ماخذ ………………………………………………………………………………………………………………115
هرست منابع فارسی …………………………………………………………………………………………………….115
فهرست منابع لاتین ……………………………………………………………………………………………………..116
سایت های اطلاع رسانی ………………………………………………………………………………………………..117
.چکیده انگلیسی ………………………………………………………………………………………………………….118

فهرست جد ول ها

1-1 : مواد مورد استفاده در ساخت صفحات مبدل صفحهای ………………………………………………………….20
.1-2 : مقایسه مبدل جوشی و واشردار ………………………………………………………………………………….26
.1-3 : ضرایب ثابت رابطه افت فشار مبدل صفحهای ………………………………………………………………….33
.1-4 : ثوابت انتقال حرارت و افت فشار تعدادی از شرایط خاص هندسی (ساندرز) ………………………………..35
.2-1 : مقایسه بین تعدادی از کدهای تجاری ……………………………………………………………………………41
.2-2 : مزایا و معایب استفاده از کدهای تجاری با کدنویسی ………………………………………………………….42
.3-1 : اطلاعات عملیاتی کوره H-102 ….ا………………………………………………………………………………..65
.3-2 : اطلاعات هندسی مدلها …………………………………………………………………………………………….72
.3-3 : اطلاعات شبکهبندی هندسه 1P …ا………………………………………………………………………………….77
.3-4 : اطلاعات شبکهبندی هندسه 2P …ا………………………………………………………………………………….77
.3-5 : اطلاعات شبکهبندی هندسه 3P ..ا………………………………………………………………………………….77

فهرست نمودارها
.1-1 نمودار اثرات گوگرد بر دمای شبنم ……………………………………………………………………………………..13
.1-2 تجربی ناسلت برحسب زاویه شورون در رینولدز ثابت (مقاله استاسیک) ………………………………………….38
.1- 3 تجربی ضریب فانینگ برحسب زاویه شورون در رینولدز ثابت (مقاله استاسیک) …………………………………..38
.1-4 ضریب فانینگ بر حسب عدد رینولدز (مقاله الشافعی)………………………………………………………………..39
.1-5 عدد ناسلت بر حسب عدد رینولدز (مقاله الشافعی) ………………………………………………………………….39
.3-2 تغییرات +y برحسب طول صفحات ……………………………………………………………………………………..84
.3-3 تغییرات ضریب فانینگ با عدد رینولدز را در مدل 1P …ا………………………………………………………………89
.3-4 عدم وابستگی ضریب فانینگ به تعداد نقاط شبکه مدل 1P ……..ا………………………………………………..89
.3- 5 تغییرات افت فشار با عدد رینولدز را در مدل 1P …ا…………………………………………………………………90
.3-6 تغییرات ضریب فانینگ با عدد رینولدز را در مدل 2P ..ا……………………………………………………………….90
.3-7 عدم وابستگی ضریب فانینگ به تعداد نقاط شبکه مدل 2P ..ا…………………………………………………….90
.3-8 تغییرات افت فشار با عدد رینولدز را در مدل 2P …ا…………………………………………………………………91
.3-9 تغییرات ضریب فانینگ با عدد رینولدز را در مدل 3P …ا……………………………………………………………..91
.3-10 عدم وابستگی ضریب فانینگ به تعداد نقاط شبکه مدل3 P ……….ا…………………………………………….91
.3- 11 تغییرات افت فشار با عدد رینولدز را در مدل3 P ……..ا………………………………………………………….92
.3- 12 تغییرات ضریب با عدد رینولدز را در مدل P1 و 2P و 3P ..ا…………………………………………………………93
.3- 13 تغییرات افت فشار با عدد رینولدز را در مدل P1 و 2P و 3P ….ا…………………………………………………..93
.3- 14 تغییرات عدد ناسلت با عدد رینولدز را در مدل 1P …ا…………………………………………………………….94
.3-15 عدم وابستگی عدد ناسلت به تعداد نقاط شبکه مدل 1P ………ا………………………………………………94
.3-16 تغییرات عدد ناسلت با عدد رینولدز را در مدل 2P ….ا…………………………………………………………….95
.3-17 عدم وابستگی عدد ناسلت به تعداد نقاط شبکه مدل2 P ………..ا……………………………………………..95
-18 تغییرات عدد ناسلت با عدد رینولدز را در مدل3 P ..ا………………………………………………………………….96
3-19 عدم وابستگی عدد ناسلت به تعداد نقاط شبکه مدل 3……………………………………………..……………ا.……96
3-20 تغییرات عدد ناسلت با عدد رینولدز را در مدل P1 و 2P و 3 …………….………………………………………………….97
3-21 تغییرات دمای هوا در طول صفحه در مدل P1 و 2P و 3P ….ا………………………………………………………..99
3-22 مقایسه بین مدل 1P با مدلهای تجربی ……………………………………………………………………………….99
3-23 مقایسه بین مدل 2P با مدلهای تجربی ……………………………………………………………………………..100
3-24 مقایسه بین مدل 3P با مدلهای تجربی …………………………………………………………………………….100

فهرست اشکال

1-1 نمایی از یک رکوپراتور………………………………………………………………………………………………………5
.1-2 رکوپراتور تشعشعی فلزی ………………………………………………………………………………………………6
.1-3 رکوپراتورهای پوسته و لوله ………………………………………………………………………………………………7
.1- 4 رکوپراتور فشرده ………………………………………………………………………………………………………….8
.1- 5 رکوپراتور صفحهای ……………………………………………………………………………………………………….8
1-.6 رکوپراتور تشعشعی – جابجایی نامتجانس یا غیرهمگن ……………………………………………………………….9
.1-7 سیستم . های پیشگرمکنهای هوای احتراق کوره Balanced Draft ..ا……………………………………………..10
.1- 8 سیستم . های پیشگرمکنهای هوای احتراق کوره Forced Draft …ا………………………………………………..… 10
1-.9 سیستم . های پیشگرمکنهای هوای احتراق کوره Induced Draft .ا……………………………………………….11
1-10 سیستم . های پیشگرمکن Balanced Draft توسط یک مبدل مستقیم …………………………………………..12
1-11 نمایی از یک مبدل صفحهای ……………………………………………………………………………………………..14.
1-12 نمایی از کندانسورهای صفحهای ……………………………………………………………………………………….15
1-13 الگوی جریـان در ایـن تجهیـزات بـه همـراه تجهیـزات مکـانیکی در مبـدل ……………………………………………16
.1- 14 مبدل صفحهای جوشی مدلTM20 شرکت Alfalavalا ……………………………………………………………..17
.1- 15 نمونهای از این مبدل صفحهای فیندار ………………………………………………………………………………..18
.1- 16 مبدل صفحهای لحیم کاری شده …………………………………………………………………………………….19
. Fusion-Bonded مبدل صفحهای 17 -1……………………………………………………………………………………..19
.1-18 انواع صفحات مورد استفاده در مبدلهای صفحهای …………………………………………………………………21
.1- 19 نمایش زاویه شورن در مبدلهای صفحهای ………………………………………………………………………….21
.1- 20 آرایشهای مختلف قرار گرفتن صفحات شورون …………………………………………………………………….22
.1- 21 نحوه آرایش جریان عبوری از روی صفحات …………………………………………………………………………..23
.1- 22 انواع گذرها در مبدلهای صفحهای …………………………………………………………………………………….24
1- 23 یک مبدل صفحهای میتواند جایگزین 6 مبدل پوسته و لوله …………………………………………………………..26
1-24 هندسه شیارهای مبدلهای صفحهای ………………………………………………………………………………….28
1-25نمایش مسیر جریان در دو هندسه مختلف ……………………………………………………………………………..37
1-26نمای عرضی یک سلول شیار ……………………………………………………………………………………………38
2-1 نمایش لایه مرزی ………………………………………………………………………………………………………….58
2-2 دو روش کلی برای مدل کردن دیواره …………………………………………………………………………………….59
3-1 نحوه محاسبه فشار خروجی در روش Density Based .ا……………………………………………………………..67
3- 2 شرط مرزی تقارن و نمایی از دیوار دو طرفه …………………………………………………………………………..69
3- 3 هندسه صفحات برای یک مبدل صفحهای ……………………………………………………………………………..70
3- 4 مبدل TM20 شرکت آلفالاوال …………………………………………………………………………………………….70
3-5 اطلاعات طراحی صفحات مبدل TM20 شرکت آلفالاوال ……………………………………………………………….71
.3-6 نمایی از صفحه شورون ……………………………………………………………………………………………………72
.3- 7 شبکهبندی چهارضلعی(مربعی) مدل 1P (صفحه تخت)……………………………………………………………….75
.3- 8شبکهبندی چهارضلعی(مربعی) مدل 2P .ا……………………………………………………………………………..76
.3- 9 شبکهبندی سهضلعی(مثلثی) مدل 3P ..ا………………………………………………………………………………76
3-.10 شماتیک 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 کانتور سرعت در هندسه 2y=0.5) P) …ا………………………………………………………………………………..86
3-15 کانتور سرعت در هندسه 3y=0.5) P) .ا…………………………………………………………………………………86
3-16 کانتور شدت آشفتگی در هندسه 2y=0.5) P) …..ا…………………………………………………………………….87
3-17 کانتور شدت آشفتگی در هندسه 2y=0.5) P) …ا………………………………………………………………………88
.3- 18 کانتورهای دمای هوای خروجی مدل1P …ا……………………………………………………………………………..97
.3- 19 کانتورهای دمای هوای خروجی مدل 2P ….ا……………………………………………………………………………98
.3- 20 کانتورهای دمای هوای خروجی مدل 3P ..ا……………………………………………………………………………..98
(1) حجم کنترل تک بعدی ………………………………………………………………………………………………………..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 وضعیت مصرف انرژی در بخش صنعت به گونهای است که از نظر مقدار، حدود 3.29 درصد واز نظر ارزش حدود4.20 درصد از کل مصرف نهایی انرژی کشور را به خود اختصاص داده است.
کل مصرف انرژی بخش صنعت در سال 1385 معادل 7.36 میلیون بشکه نفت خام بوده که ارزش آن بیش از 7.4 میلیارد دلار است.
بخش عمده انرژی مورد نیاز صنایع، از احتراق سوختهای فسیلی تامین میشود. از اینرو کمتر صنعتی را میتوان یافت که به نوعی از سیستمهای احتراقی بهره مند نباشد. بدون استثناء در هر سیستم احتراقی وجود مشعل برای تولید انرژی حرارتی ضروری است. از طرف دیگر بخش عمده استفاده این مشعلها در رابطه با کورههای صنعتی و توربینهای گازی میباشد. برخی از موارد استفاده از این تجهیزات در صنایع عبارتند از:
½ کورههای ذوب و تصفیه فلزات
½ کورههای عملیات حرارتی
½ کورههای صنایع پالایشگاهی و پتروشیمی
½ توربینهای گازی نیروگاههای تولید برق
از آنجایی که معمولا در سیستمهای با دمای بالا اتلاف انرژی زیاد است، و از طرفی فرآیند احتراق نیز همواره در دمای بالا صورت میگیرد، در بیشتر موارد پتانسیل صرفه جویی انرژی در سیستمهای احتراقی یک واحد صنعتی، بیش از سایر قسمتهای آن میباشد. بنابراین با توجه به گستردگی استفاده از سیستمهای احتراقی در صنایع، در صورت توجه به بهینهسازی این تجهیزات، به مقدار زیادی در مصرف سوخت واحدهای صنعتی صرفه جویی خواهد شد.
بعلاوه وقتی از عمر کوره و سیستم احتراقی، بیش از 10 سال میگذرد، این بدان معنی است که بازده آن در بهترین شرایط کمتراز 55 درصد است. به عبارت دیگر، این سیستم تقریباً نیمی از انرژی حرارتی سوخت را اتلاف میکند. هموار ه میتوان مقدار قابل ملاحظهای از تلفات انرژی سیستم را کاهش داد.
در صورتیکه بتوان با استفاده از تجهیزاتی از انرژی این گازها استفاده کرد و هوای مورد نیاز را برای احتراق پیشگرم کرد، به مقدار قابل ملاحظه ای در مصرف سوخت صرفهجویی میشود. انجام این کار ضمن بهبود فرآیند احتراق و افزایش دمای شعله از احتراق ناقص سوخت نیز جلوگیری میکند. نمونهای از این تجهیزات بازیافت انرژی رکوپراتورها هستند. به طور کلی اثرات استفاده از سیستمهای بازیابی انرژی را می توان به دو دسته طبقه بندی کرد

½ اثرات استفاده مستقیم : بازیابی انرژی هدررفته بر روی راندمان فرآیند تاثیر مـستقیم دارد ایـن عمـلباعث کاهش در مصرف و هزینههای جانبی1 آب، برق، بخار و………… هزینه فرآیند میشود.
½ اثرات استفاده غیرمستقیم: مزیت اثرات استفاده غیرمستقیم به شرح زیر میباشد:
الف)کاهش آلودگی
در کوره ها مقداری از مواد سمی ناشی از احتراق مانند دی اکسیدکربن، گاز ترش کربن سیاه، گـاز باقیمانده پلاستیکهای شیمیایی و غیره در اتمسفر آزاد میشوند. و هدف برای ما بازیابی انرژی و کـاهشآلودگی های محیط زیست میباشد.
ب)کاهش سایز و اندازه تجهیزات
بازیابی انرژی تلف شده مصرف سوخت را کاهش میدهد که سبب کاهش گازهای تولیدی احتـراقهم میشود. این نتایج سایز تجهیزات برای همه دستگاههایی که گازهای حاصل از احتـراق در آنهـا بکـارمیرود را کاهش میدهد مانند فنها، دودکش کوره، مشعلها و………… .
ج)کاهش مصرف انرژی
علاوه بر این کاهش در اندازه تجهیزات سبب کاهش در مصرف انرژی هم میشود همانند کاهش مصرف الکتریسیته برای فن ها و پمپها و غیره
1-2) رکوپراتورها
رکوپراتورها نوع خاصی از مبدلهای حرارتی هستند کـه سیـستمهـای گـاز- گـاز و گـاز- مـایع راپوشش می دهد. ضریب انتقال گازها به طور قابل توجهی از مایعات کمتر است اغلب برای رسیدن بـهΔT منطقی نیازمند سطوح گسترش یافته (لوله های فین دار) هستیم علاوه بر این جریان گـاز گـرم اغلـبدارای ذرات گردوغبار است که در این تجهیزات موجب مشکلات عملیاتی و رسـوب گرفتگـی2 مـی گـردد.
برای حل این مشکلات میتوان جنس لوله مبدلها را شیشهای انتخاب کرد البته مبدلهای لولهای شیـشهای به طور نسبی انتقال حرارت ضعیف کمی دارند اما آسـان تمیـز مـیشـوند . شـکل 1-1 نمـایی از یـکرکوپراتور را نشان میدهد. بطور معمول در صنعت جنس این تجهیزات بصورت زیر انتخاب میشود:
½ فولاد
½ فولاد ضد زنگ
½ شیشه یا پلاستیک مقاوم در برابر درجه حرارت بالا
ایی از یک رکوپراتور

1-3) انواع رکوپراتورها
سادهترین نوع این تجهیزات نوع پوسته و لوله و انواع دیگر شامل رجنراتورها چرخ گرمایی
(Heat wheel) میباشند که قوانین متفاوتی دارند که در آنها تبادل بین گازهای سرد و گرم با ذخیره انرژی در زمان کوتاه صورت میپذیرد. که با توجه به طبیعت جریان فرآیند و دمای عملیاتی رکوپراتورها انتخاب و استفاده میشوند.
دسته دیگری از رکوپراتورها اساس آنها انرژی ذخیره شده با استفاده از جامد واسطه میباشـد کـههم به صورت ساکن و هم به صورت متحرک وجود دارند نوع ساکن به طور شاخص محفظـه ای اسـت کـه گازهای خروجی دودکش وارد و سپس خنک میشوند این حالت بـرای گازهـای ذرات معلـق بـا دماهـایخیلی بالا مناسب هستند از این رو در صنایع فلزی از بازیابی انرژی گازهای خروجی در کورههای آهن ازاین روش استفاده میشود نوع متحرک این دسته دستگاه متحرک بزرگی به نام چرخ گرمایی میباشد که از یک طرف هوای داغ و از سوی دیگر هوای گرم خارج میشود این مبدل بـه آرامـی گرمـای چـرخ وگرمای خود را در معرض هوای سرد میگذارد این مبدلها برای هوایی با دمای متوسـط و پـایین اسـتفادهمیشوند که در واقع در گروه رجنراتورها جای میگیرند. در ادامـه بـه بررسـی ایـن تجهیـزات از لحـاظعملیاتی خواهیم پرداخت.

1- 3-1) انواع رکوپراتور از لحاظ عملیاتی
1- رکوپراتور تشعشعی
هنگامیکه که دمای گازهای حاصل از احتراق خروجی از دودکش بیشتر از 600 درجه سـانتیگـرادباشد. این نوع رکوپراتورها مناسب هستند. رکوپراتورهایAnnular Radiant و رکوپراتور دولولهای شـاملاین گروه میشوند.
الف- رکوپراتور تشعشعی فلزی
سادهترین نوع رکوپراتورهای تشعشعی، رکوپراتور تشعشعی فلزی است که شامل دو لوله هم مرکـزطولی است که در شکل 1-2 نمایش داده شده است.

لوله داخلی گازهای گرم خروجی از کوره را به همراه دارد و لوله بیرونی هوایی که از اتمـسفر بـرایاحتراق در ورودی کوره است را شامل میشود. گازهای داغ به وسیله هـوای احتـراق خنـک مـیگـردد . از طرفی هوای احتراق گرم میشوند و با انرژی افزوده شده وارد محفظه احتراق میشود. معمولا جریان گـازبه صورت موازی، انتقال حرارت مؤثرتری را نسبت به جریان مخالف انجام میدهد. دلیل ایـن امـر بخـاطراین است که در این نوع رکوپراتورها غالباً یک فرآیند اضافی برای خنک کردن لولـههـایی کـه گازهـایخروجی را به بیرون حمل میکنند فر اهم می کنند و در نتیجه طـول عمـر اقتـصادی دسـتگاه را افـزایش میدهند و این عمل راندمان را نیز افزایش میدهد.
ب- رکوپراتور سرامیکی
محدودیت عمده بازیابی انرژی از رکوپراتورهای فلزی، کاهش عمر آنها در دماهای بیش از 1100 درجه سانتیگراد میباشد. برای محدودههای دمایی بالا ناشی از ناکارآمدی رکوپراتورهای فلزی از رکوپراتورهای با لولههای سرامیکی استفاده میشود.
2- رکوپراتورهای جابجایی
اگر دمای گازهای حاصل از احتراق خروجی از دودکـش کمتـر از 600 درجـه سـانتی گـراد باشـدرکوپراتورهای تشعشعی برای بازیابی انرژی مناسب نیستند باید از رکوپراتورهای جابجایی اسـتفاده کـرد.
رکوپراتورهای پوسته و لولهای و صفحهای شامل این گروه هستند.
الف- رکوپراتورهای پوسته و لوله
در این نوع از رکوپراتورها جریان گازهای حاصل از احتراق از داخل لولههای موازی و هـوا نیـز واردمحیط پوسته میشود. شکل1-3 نمایی از رکوپراتور پوسته و لوله را نشان میدهد.

‌ب- رکوپراتورهای فشرده
رکوپراتورهای فشرده از مجموعهای فشرده از پرههای صفحهای، پرههای لولهای و صفحات موازی تشکیل شدهاند و عموماً برای سیالات گازی مورد استفاده قرار میگیرند استراتژی کلی در این نوع تجهیزات دستیابی به سطح بالایی از انتقال حرارت در یک حجم مشخص است بعلاوه در این نوع رکوپراتورها تقاطع کم در نتیجه جریان آرام را نتیجه میدهد. شکل 1-4 این نوع رکوپراتور را نمیش میدهد.

‌ج- رکوپراتورهای صفحهای
رکوپراتورهای صفحهای از اجزای سبکی تشکیل شدهاند، صفحات موجدار و خمیده توسط میلهای به یکدیگر متصل و یا جوش داده شدهاند، جریان در این نوع رکوپراتورها بصورت کانال موازی بوده و دارای نظم خاصی میباشند. شکل1- 5 نمایی ساده از این تجهیز را نشان میدهد.
محدوده عملیاتی این تجهیزات برای صفحات جوشی350 درجه سانتیگراد، و فشار 40 بار و برای مدل واشردار 260 درجه سانتیگراد، و فشار 20 بار میباشد.از مزایای این تجهیزات میتوان به سهولت در تمیز کردن و رسیدن به جریان کاملاً متقابل اشاره کرد از طرف دیگر این نوع رکوپراتورها افت فشار بیشتری را نسبت به نوع پوسته لولهای دارند که خود این از معایب این تجهیزات بشمار میآید.

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
مدلسازی عددی جریان تک فاز بین صفحات
3) مدلسازی عددی جریان تک فاز بین صفحات
هدف اصلی در این بخش مدلسازی عددی جریان تک فاز در بین صفحات مبدل حرارتی صفحهای میباشد. برای این منظور از Fluent 6.3.26 که بر پایه روش حجم کنترل بنا گردیده است استفاده شده است. معادلات ناویر استوکس، انرژی و همچنین معادلات مربوط به جریان آشفته در این مدلسازی بر اساس روابط و مدلهای معرفی شده در فصل چهارم و با فرض ثابت بودن دبی در ورودی انجام گردیده است. در پایان نتایج بدست آمده با هم مقایسه میشود. و برای هر کدام از مدلها بخاطر نبود روابط تجربی، با استفاده از نتایج مدلسازی روابطی را برای عدد ناسلت و ضریب فانینگ مییابیم.

3-1) شرایط مسئله و روابط محاسباتی
مدلسازی برای جریان گاز- گاز انجام میپذیرد برای این کار از گازهای احتراق خروجی از دودکش کوره برای پیشگرمایش هوای ورودی به محفظه احتراق استفاده میشود. برای انجام این مدلسازی از یک مدل واقعی که در ایران استفاده میگردد بهره جستهایم. فرآیند پیشگرمایش هوای احتراق از سال 1993 در پالایشگاه اراک آغاز شده است، نوع سیستم پیشگرمایش مورد استفاده سیستم Balanced Draft میباشد، در این نوع پیشگرمایش از دو فن Forced Draft (F.D.) و Induced Draft (I.D.) استفاده میشود. این سیستم تعادلی (Balanced) بوده، زیرا هوای احتراق ورودی که توسط فن F.D. تأمین می شود با هوای خروجی ناشی از فنI.D. متعادل می گرددشکل 1-7 سیستم پیشگرمکن پالایشگاه اراک را نشان میدهد.

در پالایشگاه اراک برای غلبه بر مشکلات عملیاتی ناشی از وجود گوگرد در گازهای احتراق خروجی که به صورت اسیدسولفوریک میعان سبب خوردگی میشود از پیش گرم کردن هوای احتراق با بخار کم فشار(LP) استفاده شده است بنابراین برای هوای ورودی به پیشگرمکن از اطلاعات شرایط طراحی پیشگرمکن پالایشگاه اراک استفاده شده است.
امروزه فرآیند پیشگرمایش هوای احتراق در پالایشگاههای اراک و بندر عباس انجام میگیرد، برای بهینه کردن مدلسازی، در این پایاننامه مدلسازی فرآیند پیشگرمایش را برای یکی از کورههای پالایشگاه تهران انجام میگیرد.
بر اساس اطلاعات عملیاتی ارائه شده توسط اداره پژوهش و توسعه شرکت پالایش نفت تهران، و محاسبات انجام شده دما، دبی، آنالیز سوخت و آنالیز گازهای خروجی از دودکش کوره H-102 مطابق جدول3-1 میباشد.
دمای هوای ورودی به پیشگرمکن هوا را 50 درجه و فشار ورودی را 1.2 بار در نظر گرفتهایم.
پارامترهای فیزیکی جریان هوا در Fluent 6.3.26 محاسبه میگردد.

3- 2) شرایط مرزی
3- 2-1) اعمال شرایط مرزی جریان ورودی بین صفحات
شرط مرزی جریان ورودی بین صفحات Pressure Inlet انتخاب گردیده است، شرط مرزی Pressure Inlet برای تعریف فشار سیال در ورودی جریان با تمامی خوای اسکالر جریان، به کار میرود. این شرط مرزی هم برای جریان تراکمپذیر و تراکمناپذیر مناسب میباشد. این شرط مرزی را زمانی که فشار ورودی معلوم باشد؛ اما دبی جریان یا سرعت آن دقیق مشخص نباشد استفاده میگردد. با توجه به اینکه مدلسازی برای جریان گاز- گاز انجام میپذیرد؛ لذا تراکمپذیری جریان در بین صفحات امر بدیهی میباشد. بنابراین برای محاسبه فشار کل برای سیال تراکمپذیر خواهیم داشت:

(3-1) ⎤γ
Pο = Ps ⎢⎡1+M 2 ⎥ γ−1
⎣⎦

در رابطه فوق Pο فشار کل، Ps فشار استاتیک، M عدد ماخ و γنسبت گرمای ویژه ⎟⎟⎞⎠CCVP ⎝⎜⎜⎛ میباشد. و برای سیال قابل تراکم، دانسیته در صفحه ورودی به وسیله قانون گاز کامل بیان میشود.

(3-2) ρ= POPR + P
MW s

که در آن P فشار نسبی محلی است که و POP نیز فشار عملکرد میباشد و R ثابت گاز و TS دمای استاتیک میباشد که از فرمول زیر به دست میآید:
TTS° =1+ M 2 (3-3)

در رابطه فوق Tοدمای کل سیال غیرقابل تراکم M عدد ماخ و γنسبت گرمای ویژه ⎠⎟⎞⎟CCVP ⎝⎜⎜⎛ میباشد.

3- 2-2) اعمال شرایط مرزی جریان خروجی از صفحات
شرط مرزی جریان ورودی بین صفحاتPressure Outlet انتخاب گردیده است، روش حل در شرط مرزی خروجی فشار در روش حل Density Based که در این پایاننامه استفاده شده است، به این صورت است که ابتدا مقدار فشار استاتیکی PS که توسط کاربر مشخص میشود و فشار در وجوه شرط مرزی Pressure Outlet با کمک شیوه +AUSM که توسط لیوو ارائه شده، بیان میگردد. در این روش با توجه به شکل3-2 که در آن Pf فشار وجه، PC فشار سلول داخلی نزدیک به وجه خروجی، Pe فشار خروجی که توسط کاربر معین شده و M n عدد ماخ میباشد.
بنابراین در این روش +AUSM فشار خروجی در طول مرز ثابت نخواهد بود، ولی مقدار آن نزدیک به مقدار فشار خروجی که ابتدا مشخص شده است، میباشد.
در این نوع شرایط مرزی برای رسیدن به همگرایی مطلوبتر جواب، گزینه هدفگیری جرمی
(Target Mass Flow Rate) انتخاب میشود با استفاده از این گزینه در ناحیه خروجی فشار، نرخ دبی جرمی مطلوب براساس تنظیمات فشار بهینه میگردد این روش بر اساس معادله برنولی عمل میکند. در این روش با تنظیم کردن مقدار فشار در هر تکرار (یعنی مقدار فشار را در هر تکرار اندکی کاهش و در تکرار بعدی دوباره افزایش مییابد) و استفاده از رابطه زیر به مقدار مطلوب و مورد نیاز نرخ دبی جرمی در مرز خروجی فشار میرسیم.

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

در رابطه فوق dP تغییرات فشار، •m نرخ دبی جرمی محاسبه شده جاری، •meq نرخ دبی جرمی مطلوب مورد نیاز، و ρaveدانسیته میانگین در مرز خروجی فشار و A مساحت سطح مرز خروجی فشار میباشد.

3- 2-3) اعمال شرایط مرزی بروی دیوار
شرط مرزی دیواره برای محصور کردن نواحی سیال و جامد به کار میرود. در واقع هنگامیکه معادله انرژی حل میشود لازم است شرط مرزی دمایی و حرارتی در دیوارهها تعیین گردد. در این پایاننامه چون اثرات حرارتی جریان مخالف گازهای حاصل از احتراق و هوا بواسطه یک دیوار نازک مدنظر میباشد شرط مرزی دیوار دوطرفه یا (Two-Sided-Wall) اعمال میشود شکل3-3 دیوار دوطرفه را نشان میدهد.
اگر در هر دو طرف دیوار، سیال وجود داشته باشد، دیوار دو طرفه (Two-Sided_Wall) ایجاد میگردد. در این نوع شرط مرزی با کمک گرفتن از نرمافزار Gambit و با تعریف دو سیال در دو طرف دیوار، بواسطه انتخاب Continuum در این نرمافزار دیوار دوطرفه را پدید میآید. هنگامیکه شبکهای دارای مشخصات فوق باشد و در Fluent 6.3.26 خوانده شود یک ناحیه سایه خورده (Shadow) به صورت اتوماتیک برای هر طرف دیوار تشکیل میشود تا هر طرف دیواره به یک ناحیه دیواری مجزا تبدیل شود در این حالت امکان اینکه برای هر طرف دیواره شرایط دمایی متفاوت اعمال نمود یا هر دو طرف دیواره را به هم ارتباط داد پدید میآید.
برای مرتبط کردن دو طرف دیوار گزینه Coupled انتخاب میگردد.(این گزینه وقتی دیوار دوطرفه باشد وجود دارد) در این حالت چون نرمافزار مستقیماً انتقال حرارت را از حل در سلولهای مجاور محاسبه میکند، هیچ شرط مرزی دیگری (مانند شرط دما ثابت، شار ثابت، انتقال حرارت جابجایی) برای دیواره نیاز نداریم، با این وجود میتوان جنس دیواره و ضخامت دیواره را برای حل دقیقتر مسئله در نرمافزار وارد کنیم. در این پایاننامه بر اساس اطلاعات شرکت آلفالاوال جنس دیواره استنلساستیل انتخاب گردیده و پارامترهای فیزیکی پیشفرض نرمافزار(ضریب هدایت گرمایی دیواره) نیز اصلاح گردیده است؛ بعلاوه ضخامت دیواره مذکور نیز بین 6.0 تا 8.0 میلیمتر انتخاب شده است.
علاوه بر این میبایست شرایط تنش برشی دیواره را نیز مشخص کرد، در سیالهای لزج شرط عدم لغزش (No–Slip) در حرکت جریان سیال برروی دیوار در نظر گرفته میشود؛ در این حالت سیال نزدیک به دیواره دارای سرعت صفر میباشد یا به عبارت دیگر تنش روی دیوارهها صفر میباشد.
3- 2-4) شرط مرزی تقارن (Symmetry)
هنگامیکه هندسه فیزیکی و الگوی جریان سیال و دما دارای تقارن آینهای باشند، از این شرط مرزی استفاده میشود. در این پایاننامه برای مدل کردن صفحات مبدل صفحهای چون الگوی جریان سرعت ودما تقارن دارد از این نوع شرط مرزی استفاده شده است.
3- 3) بررسی پارامترهای فیزیکی جریان
با توجه به اینکه جریان عبوری از بین صفحات گاز- گاز میباشد و تغییرات دمایی نیز در این حین رخ میدهد، ناگزیر جریان عبوری از بین صفحات تراکمپذیر بوده که برای محاسبه دانسیته در بین صفحات در طول حل در جریانهای تراکمپذیر بهترین انتخاب استفاده از قانون گاز ایدهآل میباشد، برای لزجت هوا نیز قانون ساترلند و برای گازهای حاصل از احتراق از تئوری جنبشی استفاده شده است، بعلاوه برای ظرفیت گرمایی و ضریب هدایت گرمایی نیز از تئوری جنبشی استفاده شده است که در پیوست (2) توضیحات کاملی در رابطه با پارامترهای فیزیکی جریان ارئه شده است.

3- 4) هندسه مدل
هندسه صفحات در یک مبدل حرارتی صفحهای در شکل 3- 4 آورده شده است با توجه به اینکه میخواهیم اثرات جریان سرد و گرم با ضخامت دیواره نازک مورد بررسی قرار گیرند؛ لذا نمیتوان از فرضیات ساده شونده استفاده کرد و جریان را بصورت پریودیک در نظر گرفت و جریان را فقط در یکی از شیارها بررسی کرد، بلکه میبایست اثرات کل جریان عبوری از صفحات مد نظر قرار گیرد که همین مسئله با توجه به پیچیدگی شکل صفحات سبب زمانبر بودن حل میگردد.

با توجه به مطالب بیان شده طول صفحاتی که جریانهای سرد و گرم از آن عبور میکنند حائز اهمیت میباشد؛ لذا برای افزایش دقت مدلسازی از طول یک مدل واقعی شرکت آلفالاوال استفاده شده است، مدل TM 20 کمپانی آلفالاوال یک مبدل صفحهای به منظور بازیابی انرژی میباشد که بر طبق اطلاعات شرکت مذکور برای جریانهای مایعات و گازها قابل استفاده است و در شکل3- 5 نشان داده شده است. اطلاعات طراحی صفحات این مبدل نیز در ادامه در شکل3- 6 نمایش داده شده است.

قیمت 25 هزار تومان

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان