بخشی از مقاله
چکیده
کوره ها در فرآیندهای پتروشیمی و پالایشگاهی از مهمترین مصرف کننده های انرژی هستند. کوره های پالایشگاهی اگر به خوبی اداره نشوند منبع بزرگی برای اتلاف انرژی به شمار می آیند. در کوره فرآیند احتراق صورت می گیرد، احتراق نخستین منبع تولید انرژی است که بشر به آن دست یافته است. امروزه بیش از 95 درصد انرژی جهان از احتراق فراهم می شود. سیر صعودی قیمت انرژی در اواخر قرن بیستم باعث بوجود آمدن روش های بهینه سازی انرژی و صرفه جویی در مصرف سوخت شده است. در این بررسی میزان تاثیر پیش گرمایش هوا بر راندمان کوره و در نتیجه بهینه سازی انرژی با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی مورد توجه قرار گرفته است.
مقدمه
کوره ها از جمله تجهیزاتی هستند که در صنعت نقش عمده ای را ایفا می کنند. تقریبا هیچ صنعتی را نمی توان یافت که در آن از کوره استفاده نشده باشد. کوره ها تجهیزاتی هستند که انرژی گرمایی ناشی از احتراق یک سوخت را به یک سیال منتقل می-نمایند. فرآیند احتراق مشتمل بر اکسیداسیون اجزای ترکیب سوختنی است که قابلیت اکسید شدن دارند
علیرغم جستجوی فراوان برای منابع انرژی جدید، احتراق همچنان روش رایج تولید انرژی در صنایعی مثل فرایندهای پالایشی و پتروشیمی میباشد. با افزایش هزینه و همچنین کاهش منابع پایان پذیر انرژی، توجه روزافزونی به کاهش مصرف انرژی معطوف شده است. . از این رو عمده تلاشها بر روی بهینهسازی تجهیزات احتراقی متمرکز شده است. روش های زیادی برای بهینه سازی انرژی در کوره ها وجود دارد، در این تحقیق روش پیش گرمایش هوای ورودی مورد توجه قرار گرفته است.
برای مدل کردن رفتار سیالاتی در فلوئنت از حالت k- استاندارد استفاده شده است. ساده ترین مدلهای کامل آشفتگی، مدلهای دو معادلهای هستند، که در آنها حل دو معادله مجزای انتقال اجازه میدهد سرعت آشفتگی و مقیاس طول، به صورت مستقل تعیین شوند. مدل k- در فلوئنت در این دسته مدلها قرار می گیرد و سهم زیادی از محاسبات کاربردی مهندسی جریان را به خود اختصاص داده است معادلات انتقال k و ε در زیر آمده است:
که ویسکوزیته سیال است، ρ چگالی، , S k ترم منبع ، سرعت سیال و k ضریب سنتیک انرژی و ε ضریب پراکندگی، S ضریب کرنش و G2 و C1 ضرایب ثابت و εσ و k اعداد پرانتل آشفته برای k و ε هستند که در فلوئنت تعریف شده می باشند. Gk نشاندهنده تولید انرژی سنیتیکی آشفتگی ناشی از گرادیانهای سرعت متوسط میباشد. YM نمایانگر انبساط نوسانی در آشفتگی تراکم پذیر به نرخ اتلاف انرژی کلی است. از رابطه زیر محاسبه میشود:
:2-1 معادله ی حاکم برای انتقال حرارت تشعشعی جهت مطالعه کمی انتقال حرارت تشعشعی در یک واسطه خاکستری مشترک معادله انتقال حرارت تشعشعی برای یک سیستم حالت یکنواخت چنین بیان می شود:
که I شدت تشعشع است، s, بردارهای واحد در جهت پخش هستند. و ثابت های جذب و پخش محلی هستند و تابع فازی استفاده شده برای توصیف طبیعت جسم پخش کننده است. ترم سمت چپ معادله گرادیان شدت در جهت خاص را نشان می دهد. سه ترم سمت راست معادله شدت تغییرات جذب، پخش بیرونی ، انتشار و پخش به درون را به ترتیب نشان می دهد.
از روش P1 برای حل معادله انتقال تشعشع - RTE - و مدل WSGGM برای بررسی اثر تشعشعی گازهای غیر خاکستری استفاده شده است.
:3-1 مدل غیر پیش آمیخته
از این مدل برای شبیه سازی احتراق گاز سوختی استفاده شده است. مدل غیر پیش آمیخته، معادلات انتقال را برای یک یا دو مقدار بقایی و کسرهای مخلوط حل می کند. گونه های شیمیایی چند گانه شامل رادیکال ها و گونه هایی میانی را می توان در تعریف مسئله استفاده نمود. غلظت گونه ها را می توان از توریع کسر مخلوط بدست آورد. کسر مخلوط را می توان به صورت کسر جرمی اتمی نوشت که کسر جرمی گونه ی i است.
زیر نویس fule نشان دهنده ی مقدار در جریان سوخت ورودی و ریز نویس ox نشان دهنده ی مقدار در جریان اکسید کننده ی ورودی می باشد. چنانچه ضرایب نفوذ همه ی گونه ها برابر باشد انگاه معادله ی فوق برای تمامی گونه ها یکسان بوده و تعریف کسر مخلوط یکسان است. همچنین کسر مخلوط کسر جرمی گونه ای است که از جریان سوخت سرچشمه گرفته است.
2هندسه ی مورد مطالعه
در این تحقیق یک کوره ی صنعتی موجود در پالایشگاه تبریز مورد مطالعه قرار گرفته است. کوره ی شبیه سازی شده، کوره ای استوانه ای شکل با طول 9100 میلی متر و قطر 4276 میلی متر که در آن سوخت از ابتدای کوره و
به صورت محوری و از ورودی به قطر 19 میلی متر وارد می شود. هوا نیز از طریق دریچه هایی که در پایین مشعل تعبیه شده است وارد کوره می شود.
-3مدلسازی
امروزه استفاده از روش های عددی در محاسبات کامپیوتری اهمیت زیادی داشته و به عنوان ابزاری کارآمد در طراحی وسایل مهندسی به کار می رود. دینامیک سیالات محاسباتی یا CFD عبارت است از :
تحلیل سیستم های شانل جریان سیال، انتقال حرارت و پدیده های همراه، نظیر واکنش های شیمیایی بر اساس شبیه سازی کامپیوتری می باشد. CFD روش بسیار توانایی می باشد به طوری که طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی و غیر صنعتی را در بر می گیرد. علم دینامیک سیالات محاسباتی به صورت یک ابزار توانا برای تحلیل
رفتار جریان سیال و انتقال حرارت در سیستم های با هندسه ی ناموزون و معادلات حاکم پیچیده برای محققان و مهندسان درآمده است.
ابتدا هندسه ی کوره ی واقعی در نرم افزار گمبیت ساخته شده و شبکه بندی مناسب هندسه انتخاب گردیده و برای تحلیل به کمک نرم افزار فلوئنت آماده گردیده است. شکل 1-4 هندسه و شبکه بندی کوره را نشان می دهد.
شکل - : - 1-4 هندسه و شبکه بندی کوره × با توجه به زمان اجرا، هزینه های محاسباتی و پراکندگی عددی از شبکه ی تترا هیبرید در نرم افزار گمبیت استفاده شده است. شبکه ی تترا هیبرید در اکثر مسائل کاربردی از جمله شبیه سازی جریان های داخلی و خارجی در صنعت به کار می رود.
این نوع شبکه بندی به سلول های شبکه اجازه می دهد که در نواحی منتخب از دامنه سیال به صورت خوشه ای درآمده و در نتیجه سبب بالا رفتن سرعت محاسبات و کاهش پراکندگی عددی می گردد. سوخت کوره گاز طبیعی می باشد. شرایط مرزی در ورودی هوا و سوخت از نوع ورودی سرعتی با سرعت هوا مساوی 0,01 کیلوگرم بر ثانیه و خروجی کوره از نوع خروجی فشاری و همچنین دیواره ها عایق فرض گردیده اند. اعتبار سنجی اندازه ی شبکه بندی هندسه طوری صورت گرفته است که به ازای کوچک تر نمودن شبکه تغییری در نتایج خاصل نگردد و نتایج مستقل از شبکه ارائه شود. مدلهای استفاده شده در نرم افزار فلوئنت در جدول الف در پیوست آمده است.
نتایج در شکل - 1-5 - توزیع دما برای افزایش دمای هوای احتراق تا 400 کلوین نشان داده داده شده است، با توجه به این کانتور مشاهده میشود که با افزایش دمای هوای ورودی، کوره از توزیع دمای یکنواختی برخوردار است. علاوه بر آن شکل شعله از نظر یکنواختی و پایداری قابل قبول می باشد. تنها عاملی که در مورد پیش گرمایش هوای احتراق می بینیم دمای بالای محفظه ی احتراق می باشد که در حدود 1211 کلوین بوده که دمایی بالا و غیر قابل قبول برای کوره ی مورد مطالعه ی ما می باشد. زیرا طبق استانداردهای موجود دمای مناسب در اطراف کویل های حرارتی در حدود 1100- 1000 کلوین می باشد. در این شرایط برای رسیدن به دمای مورد نظر و نتیجه ی مطلوب می بایست میزان سوخت را کاهش داد.
شکل : - 1-5 - کانتور دمایی نشاندهنده دما در محفظه احتراق در حالت تزریق هوا با دمای 400 درجه کلوین
از اثرات پیش گرمایش هوا، کاهش میزان سوخت مصرفی است. شکل - 2-5 - برای کاهش 9,5 درصدی سوخت گاز ورودی به کوره می باشد. همان طور که در شکل ملاحظه می شود با کاهش سوخت گاز به مقدار 9/5 درصد و پیش گرمایش هوای احتراق تا 400 کلوین، شعله و توزیع دما یکنواخت و پایدار می باشد و دمای محفظه ی احتراق و اطراف کویل های حرارتی حدود 1085 کلوین می باشد که در محدوده ی استاندارد قرار دارد. نکته ی قابل توجه دیگر راندمان کوره می باشد که حدود 4 درصد افزایش پیدا کرده است. بنابراین با ایجاد شرایط ذکر شده در این حالت می توان علاوه بر افزایش راندمان کوره ، میزان سوخت ورودی به کوره را به اندازه ی 9/5 درصد کاهش داد. در نهایت نتایج با داده های صنعتی مقایسه شد که تطابق خوبی بین نتایج بدست آمده و داده های صنعتی وجود دارد.
شکل : - 2-5 - کانتور دمایی نشاندهنده دما در محفظه احتراق در حالت تزریق هوا با دمای 400 درجه کلوین و کاهش میزان سوخت ورودی
نتیجه گیری و جمع بندی
با پیش گرمایش هوای ورودی می توان علاوه بر ایجاد توزیع دما و شعله ی مناسب و همچنین حصول راندمان بالا، میزان سوخت ورودی به کوره را به طور قابل چشمگیری کاهش داد و ذخیره کرد که عامل مهمی در بهینه سازی مصرف سوخت می باشد.
جدول - الف - : مدلهای استفاده شده در شبیهسازی
