شبيه سازي عددي رطوبت گيري مافوق صوت از هواي مرطوب در نازل هاي لاوال

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مكانيك

كارشناسي ارشد

وجود بخار آب در جريان‌هاي گازي مانند هوا و گاز طبيعي يكي از چالش‌هاي مهم در صنايع انرژي، پتروشيمي، هوافضا و تهويه مطبوع به شمار مي‌رود. حضور اين ناخالصي علاوه بر كاهش كيفيت انرژي و ايجاد افت فشار، موجب بروز خوردگي، تشكيل هيدرات و در نهايت كاهش راندمان سامانه‌هاي انتقال مي‌شود. روش‌هاي كلاسيك رطوبت‌زدايي همچون جذب شيميايي، تبريد و غشا، اگرچه در مقياس صنعتي كاربرد دارند، اما به دليل مصرف بالاي انرژي، نياز به تجهيزات حجيم و هزينه‌هاي نگهداري زياد، همواره با محدوديت‌هايي همراه بوده‌اند. از اين‌رو، بهره‌گيري از فناوري‌هاي نوين مبتني بر جريان‌هاي مافوق صوت، به‌ويژه نازل‌هاي همگرا–واگرا (لاوال)، به‌عنوان راهكاري نويدبخش براي رطوبت‌زدايي گازها مورد توجه قرار گرفته است. در اين پژوهش، فرآيند رطوبت‌زدايي از هواي مرطوب از طريق چگالش ناگهاني در نازل مافوق صوت به‌صورت عددي شبيه‌سازي شده است. مدل‌سازي بر اساس رويكرد جريان دوفازي مخلوط انجام گرفت و براي در نظر گرفتن دقت بيشتر در پيش‌بيني رفتار بخار مرطوب، توابع تعريف‌شده توسط كاربر به كار گرفته شد. مدل آشفتگي k-ω SST به‌منظور شبيه‌سازي دقيق‌تر ويژگي‌هاي جريان انتخاب گرديد و تغيير فاز بخار به مايع نيز بر اساس مدل لي پياده‌سازي شد. شبيه‌سازي‌ها در حالت پايا، دوبعدي و آدياباتيك و تحت شرايط مرزي متنوع شامل فشار ورودي 1.2 تا 2 بار، دماي ورودي 283 تا 323 كلوين و كسر حجمي بخار آب اوليه بين 0.0014 تا 0.031 انجام شدند. نتايج نشان داد كه افزايش فشار ورودي باعث افزايش نرخ چگالش و بالا رفتن حداكثر كسر حجمي آب مايع تا حدود 13.9% مي‌گردد. در مقابل، افزايش دماي ورودي موجب كاهش محسوس مقدار مايع توليدي (تا حدود 49%) شد. همچنين، افزايش رطوبت اوليه جريان در ورودي نقش چشمگيري در تشديد فرآيند چگالش ايفا نمود. علاوه بر تحليل پارامتري، يك مدل رگرسيوني چندمتغيره بر پايه نتايج شبيه‌سازي توسعه داده شد كه با استفاده از دو پارامتر بي‌بعد، قادر است ميزان حداكثر كسر حجمي مايع را با دقت بالا (R^2=0/9879) پيش‌بيني نمايد. اين مدل نه تنها در هندسه اصلي نازل بلكه در هندسه‌اي متفاوت نيز اعتبارسنجي شده و نتايج رضايت‌بخشي ارائه داده است. يافته‌هاي اين پژوهش بيانگر آن است كه استفاده از نازل‌هاي مافوق صوت مي‌تواند به‌عنوان روشي نوين، كم‌هزينه و كارآمد براي رطوبت‌زدايي جريان‌هاي گازي در صنايع مختلف به‌كار گرفته شود. اين نتايج مي‌توانند مبنايي علمي براي طراحي و بهينه‌سازي نازل‌هاي صنعتي در حوزه‌هاي انتقال گاز طبيعي، سامانه‌هاي تهويه مطبوع پيشرفته و تجهيزات هوافضا فراهم كنند. افزون بر اين، مدل عددي و روابط همبستگي ارائه‌شده قابليت توسعه براي ساير مخلوط‌هاي گازي را نيز دارا مي‌باشند.

235336

تبديل انرژي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان