بخشی از مقاله
بررسی اثر افزایش دماي هواي ورودي روي عملکرد فن سانتریفیوژ با پره رو به عقب
چکیده:
هدف از انجام این مقاله شبیه سازي و تحلیل سه بعدي جریان هوا در داخل یک فن سانتریفیوژ با پرههاي رو به عقب و بررسی مشخصههاي عملکردي فن و در نهایت بهینهسازي عملکرد فن با تغییر شرایط مرزي در جهت افزایش راندمان میباشد. از میان انواع مختلف فن، فنهاي سانتریفیوژ به دلیل توانایی در ایجاد هد بالا از کاربرد زیادي برخوردار است. در میان انواع مختلف فنهاي سانتریفیوژ فنهاي با پرههاي رو به عقب به دلیل مشخصههاي عملکردي پایدارتر و همچنین راندمان نسبی بالاتر مورد توجه خاص قرار گرفتهاند. در این راستا ابتدا یک فن ساخته شده و موجود (با جداول مشخصه معلوم) انتخاب شده است. با در دست داشتن نقشههاي ساخت این فن، مدلی سه بعدي از اجزاي فن براي تولید شبکه در مجاري جریان وارد نرم افزار گمبیت میشود. پس از ایجاد شبکه، ناحیههاي دوار و ساکن شبکه مشخص و نوع شرایط مرزي به مسئله تحمیل میشود. در این مقاله به بررسی تغییر دماي هواي ورودي روي عملکرد فن پرداخته شده است که بررسی نتایج نشان میدهد که با افزایش دماي هواي ورودي به فن، راندمان فن کاهش مییابد که این کاهش راندمان به دلیل این است که با افزایش دماي هوا اختلاف فشار ایجاد شده بین ورودي و خروجی فن کاهش یافته و به طور همزمان دبی حجمی جریان هواي عبوري از فن کاهش مییابد.
کلمات کلیدي: فن سانتیریفیوژ، شبیه سازي، افزایش دما، راندمان
مقدمه :
از میان انواع مختلف توربو ماشینها، بی تردید فنها جزو پر مصرفترین آنها به حساب میآیند. از کاربردهاي صنعتی- تجاري گرفته تا کاربردهاي مسکونی، حجم عظیمی از تولید شده در سرتاسر جهان از نظر تعداد به این دسته از ماشینهاي دوار اختصاص دارد. نقش فن در صنعت در بسیاري از مواردکاملاً حیاتی است، بهطوريکه عدم کارکرد مناسب این تجهیز به معنی خارج شدن کل سیستم از روند عادي میباشد. به طور مثال به عنوان سیستمهاي تغذیه هواي بویلر، کارکرد نا مناسب فن به متوقف شدن کل پروسه تولید برق می انجامد. همچنین در موارد خنک کاري تجهیزات، تخلیه هواي ناسالم و بسیاري موارد دیگر، شرایط مشابه است. کاربردهاي فراوان و در بسیاري موارد حیاتی فنها، انگیزه محققان و طراحان بیشماري در جهت تلاش براي طراحی فنهاي مناسب با کاربردهاي متفاوت و بهبود عملکرد آنها بوده است. در ادامه انواع فن معرفی خواهد شد.
انواع فن:
در عمده ترین دستهبندي، فنها بر اساس مسیر هوا در این تجهیز به دو گروه محوري و سانترفیوژ تقسیم میشوند. گروه
١
سانتریفیوژ به منظور افزایش انرژي جنبشی جریان هوا از پرههاي چرخان استفاده میکند. هوا هنگام عبور از این ابتداي پره تا انتهاي پره سرعت میگیرد. این سرعت در عبور از خروجی به فشار استاتیک تبدیل میشود. این دسته قابلیت تولید فشار نسبتاً بالایی دارند. دسته دیگر فنهاي محوري هستند که همانطور که از اسم آنها برمیآید هوا را در جهت محوري حرکت میدهند. فشار در این گروه به صورت آیرودینامیکی شبیه به لیفت هواپیما ایجاد میشود. در مواردي که به تولید فشار کم و دبی حجمی بالا احتیاج است مورد استفاده قرار میگیرند.[1]
فنهاي سانتریفیوژ:
بر خلاف فنهاي محوري، خروجی پرهها در این گروه در جهت محوري نیست. هوا موازي جهت محوري وارد تجهیز میشود سپس در گذر از پرهها سرعت میگیرد و با چرخش حدود نود درجهاي جهت آن از محوري به شعاعی تغییر کرده و به صورت شعاعی چرخ فن را ترك میکند. نحوه عملکرد فنهاي سانتریفیوژ بدین صورت است که هنگام استارت یک فن هواي موجود در فن تخلیه میشود و با کاهش فشار هوا در دهانه ورودي، هوا با فشار اتمسفر به داخل فن رانده میشود و هوا با سرعتنسبتاً زیاد از چرخ فن خارج میشود سپس در محفظه فن سرعت هوا کاهش مییابد و به فشار تبدیل میشود که اندازه قطر چرخ و سرعت دورانی آن، معین کننده مقدار فشار خروجی فن میباشد. مبانی طراحی فنها در هندبوكهاي مختلف آمده است. [2 ] یکی از تقسیمبنديهاي فن سانتریفیوژ، تقسیمبندي بر اساس نوع پره میباشد که به انواع، فن سانتریفیوژ با پره منحنی شکل رو به عقب، با پره منحنی شکل رو به جلو، با پره شعاعی، با پره صاف رو به عقب و فن سانتریفیوژ با پره ایرفویل تقسیم میشود.
مدل سازي دامنه محاسباتی:
به منظور اعتبار سنجی نتایج حل عددي و مقایسه با نتایج آزمایشگاهی، دامنه محاسباتی مطابق با شرایط بارگذاري آزمایشگاهی قرار داده شده است.
مدلسازي فن با شرایط آزمایشگاهی:
مدلسازي فن در این پژوهش:
در این پژوهش بنا بر تراکمپذیر بودن ماهیت جریان،پس از اعتبار سنجی دادهها ابعاد فن مورد نظر به نسبت 4/25 برابر بزرگ شده است.
٢
به دلیل کوپل بودن معادلات سرعت و فشار، جهت حل معادلات حاکم بر مسئله، بایستی فشار یا سرعت سیال روي ورودي و خروجی مشخص شده باشد. با توجه به اینکه فن مورد نظر در شرایط فشار جو کار میکند لذا در اینجا اطلاعات فشار هواي ورودي به فن و فشار هواي خروجی از آن در دسترس میباشد. لذا شرط مرزي براي حل معادلات سرعت و فشار، شرط فشار ثابت (فشار محیط) در ورودي و در خروجی فن میباشد.
در مورد معادله انرژي، شرط مرزي استفاده شده شرط مرزي دما ثابت میباشد.استفاده از این شرط مرزي به دلیل ثابت در نظر گرفتن دماي هواي ورودي به فن بوده است. نرم افزار فلوئنت با شرایط مرزي ذکر شده و مقداردهی اولیه به دامنه حل، شروع به حل معادلات و محاسبه کل پارامترهاي مورد نیاز در دامنه حل میکند.
با توجه به چرخشی بودن حرکت پرههاي فن، شبکه محاسباتی به دو ناحیه ثابت و چرخان تقسیم میشود. شرایط مرزي در نظر گرفته شده شامل 4 قسمت میباشد. براي ورود جریان به حجم کنترل در جلوي فن،به دلیل معلوم بودن فشار ورودي، شرط مرزي ورودي فشار1، براي خروجی جریان از حجم کنترل در انتهاي کانال شرط مرزي فشار خروجی 2 لحاظ شده است. کانال، پرهها و مرزهاي خارجی دامنه حل که شامل حلزونی میباشد، به عنوان دیواره در نظر گرفته شده است. شکل (1) این شرایط مرزي را نشان میدهد. لازم به ذکر است که براي مرزهاي بین دو ناحیه چرخان و ثابت میبایست شرط مرزي " interior" لحاظ شود.
٣
شبکه بندي سطوح
از آنجا که شبکه بیسازمان2 قابلیت پوشش سطوح با هندسه پیچیده را به خوبی داشته و محدودیت خاصی ندارد، این نوع شبکه براي تمام سطوح بکار گرفته شده است. با توجه به این نکته که در نزدیکی نوك پره سرعت زیاد بوده و ضخامت لایه مرزي کم میباشد لذا براي در نظر گرفتن اثرات لایه مرزي میبایست شبکه محاسباتی در لبههاي پره ریزتر شود.
شبکه بندي احجام
براي تولید شبکه در یک حجم از الگوریتم TGrid استفاده شده است. به کمک این الگوریتم، گمبیت شبکهاي تولید میکند که اغلب المانهاي آن هرمی چهار وجهی بوده، ولی ممکن است که از المانهاي دیگري به عنوان المانهاي فرعی نیز استفاده شود. این روش در واقع تولید شبکههاي بی سازمان در داخل حجمها میباشد.
اعتبارسنجی نتایج حل عددي
به منظور اعتبارسنجی نتایج بدست آمده، سرعت خروجی هوا به ازاي سرعتهاي چرخش مختلف فن در شکل (3) با اطلاعات آزمایشگاهی مقایسه شده است. لازم به ذکر است که براي تشابه هندسی، قطر خارجی فن 132 میلیمتر، قطر داخلی فن 90 میلیمتر، سطح مقطع خروجی 2650 میلیمتر مربع و تعداد پرهها برابر 12 در نظر گرفته شده است.
نتایج بدست آمده از نرم افزار فلوئنت:
براي دورهاي چرخش مختلف فن سرعتهاي خروجی از فن با استفاده از نرم افزار فلوئنت اندازهگیري شده است که نتایج آن در جدول زیر نمایش داده شده است.
براي بررسی نتایج بدست آمده از حل فلوئنت و اعتبار سنجی آن، نمودار زیر آورده شده است. شکل (2) نتایج حاصل از حل آزمایشگاهی را نشان میدهد.
