بخشی از مقاله
چکیده
یکی از روشهای بازیافت انرژی در تجهیزات احتراقی، استفاده از رکوپراتور در اگزوز خروجی گازهای داغ حاصل از احتراق می باشد. با توجه به کمبود عرضه انواع رکوپراتور در کشور یک نمونه رکوپراتور ظرفیت پایین طراحی و ساخته شد. در این مقاله با شبیه سازی یک رکوپراتور خاص در نرم افزار اسپن 1جریانهای هوایی موجود در رکوپراتور مورد مطالعه قرار گرفته است و در گام بعدی، خروجی های حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی حاصل از نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است که نشان دهنده دقت مناسب شبیه سازی می باشد.
در انتها با انجام تحلیل پارامتری عواملی نظیر دبی جرمی هوا و سوخت، نتایج بصورت نموداری نشان داده شده است. با توجه به نمودارهای استخراج شده از شبیه سازی، با افزایش دبی جرمی هوا، دمای جریان گرم خروجی از رکوپراتور کاهش و دمای جریان سرد خروجی از رکوپراتور افزایش یافته است. همچنین با افزایش دمای محصولات احتراق، دمای جریان هوای سرد خروجی افزایش پیدا می کند
مقدمه
مقادیر بسیاری گاز گرم حاصل از احتراق سوخت، توسط بویلرها و انواع متنوع کوره ها در صنایع مختلف تولید می شود. یکی از روشهای استفاده بهینه از سوخت و انرژی در کوره ها، استفاده از سیستم های بازیافت - یکی از انواع مبدلهای حرارتی - می باشد. متاسفانه استفاده از این سیستم ها در کشور ایران بسیار محدود است.
بازیابهای حرارتی انواع متنوعی دارند که از جمله آنها می توان به رکوپراتورها اشاره کرد که کاربرد وسیعی در صنابع دارند. یکی از مهمترین کاربردهای رکوپراتورها، استفاده از آنها در صنایع گاز می باشد که با نصب این وسیله در خروجی دودکش ها، از گرمای حاصل از آن برای پیش گرمایش هوای ورودی به کوره و... استفاده می کنند.
بازیابهای حرارتی نوعی از مبدلهای حرارتی هستند با این هدف که از انرژی زائد حاصل احتراق به منظور گرمایش استفاده می شود.
مبدلهای حرارتی از نظر آرایش جریان به سه دسته تقسیم می شوند که شامل:جریان همسو، جریان غیر همسو و جریان متقاطع می باشد.
شکل : - 1 - مبدل با جریان متقاطع [1] همچنین مبدلهای حرارتی از نظر ساختار به چهاردسته تقسیم می شوند
که عبارتند از :مبدل پوسته لولهای، مبدل صفحه ای، مبدل حلزونی و مبدل حرارتی هوایی.
شکل : - 2 - نمونه ای از مبدل حرارتی صفحه ای
یکی از انواع مبدلهای صفحه ای، رکوپراتورها هستند که به عنوان بازیاب حرارتی در خروجی کوره ها استفاده می شوند.
رکوپراتور، مبدلی با جریان متقابل است که از آن برای بازیابی و بهینهسازی انرژی در واحدهای صنعتی استفاده میشود. به این صورت که برای افزایش بهرهوری کلی در فرایندهای با چرخه بسته - مانند فرآیندهای احتراقی - ، از رکوپراتورها استفاده می شود.
برای نمونه، در موتور توربینهای گازی، نخست هوا فشرده میشود و سپس با سوخت مخلوط شده و عمل احتراق برای چرخاندن پرههای توربین رخ میدهد. در این فرایند رکوپراتور بخشی از حرارت زاید تولید شده در قسمت خروجی سیستم را به هوای مصرفی برمیگرداند. هوای برگردانده شده نسبت به هوای تازه گرمتر است و باعث پیشگرم شدن کل هوای ورودی به محفظه احتراق میشود که این علاوه بر صرفهجویی در هزینههای آماده سازی هوای ورودی، باعث احتراق مطلوبتر و کاهش سوخت مورد نیاز برای رسیدن به دمای مد نظر ورودی توربین نیز میشود .
شکل : - 3 - نمونه ای از یک رکوپراتور[4]
اتسی - - 2003 با انجام تحلیل مبدل حرارتی بازیافت گرمایی به روش هاوسن و پیش بینی خصوصیات جریان سیال درون مبدل بوسیله این روش و مقایسه نتایج این تحلیل با نتایج روش المان محدود، نشان داد که روش هاوسن در پیش بینی خصوصیات جریان سیال در این نوع مبدل بسیار دقیق می باشد
چانگ و رو - - 2010 پژوهشی پیرامون بازیابهای فوق سرد انجام دادند. آنها با استفاده از روش تحلیلی نتایجی را بدست آوردند و برای صحت سنجی نتایج خود از نتایج عملی استفاده کردند که نتیجه آن دقت کافی روش تحلیلی بود. در نهایت با استفاده از روش تحلیلی بهینه سازی ای را انجام دادند که منجر به بدست آوردن اندازه هندسی بهینه بازیاب حرارتی فوق سرد گردید
لاسکوسکی و سیمک - - 2016 با استفاده از معادلات بقا، ممنتوم و انرژی و با روش تحلیلی وشبیه سازی مبدل بازیافت حرارتی به روش "جعبه سیاه" مقایسه ای را بین نتایج تحلیلی و شبیه سازی مبدل حرارتی انجام دادند و نتیجه این مقایسه، نشان دهنده شبیه سازی دقیق این مبدل به روش جعبه سیاه بود
یوما و همکاران - - 2017 با تحقیق بر روی یک نوع مبدل حرارتی از جنس سرامیک کار خود را آغاز کردند و شبیه سازی این مبدل را به روش دینامیک سیالات محاسباتی1 و روش المان محدود 2انجام دادند که نتیجه کار آنها، بدست آوردن اندازه هندسی مناسب مبدل حرارتی برای استفاده بهینه از این مبدل شد
کویتی - - 1390 در تحقیقات خود به بررسی و آنالیز حرارتی رکوپراتور به عنوان سیستم بازیافت حرارت در دودکش کوره های پیشگرم نورد گرم شرکت فولاد مبارکه پرداخت. او با محاسبه تلفات حرارت خروجی از دودکش ها، راندمان رکوپراتورهای موجود و عملکرد سیستم بازیاب انرژی در بازه کاری کوره ها را به کمک تحلیل های عددی و اندازه گیری های عملی محاسبه کرد. همچنین برای عملکرد بهینه سیستم بازیاب حرارتی پیشنهاد استفاده از رکوپراتور تشعشعی – جا به جایی را مطرح نمود
عرب ساوجی و بیدی - 1395 - تحلیل خود را به روش انرژی و اگزرژی در دو حالت خارج کردن تمام هوای بازگشتی در سیستم تهویه مطبوع حرم مطهر رضوی به محیط و بازیابی انرژی هوای بازگشتی از فضا، با استفاده از رکوپراتورمورد بررسی قرار دادند. بعد از انجام تحلیل کلی، مشخص شد که استفاده از رکوپراتورمی تواند مصرف گاز در سیستم تهویه مطبوع حرم مطهر رضوی را به اندازه 18 درصد کاهش دهد
فتحی و کامکار هفشجانی - 1395 - در این پژوهش با استفاده از حل تئوری میزان صرفه جویی مصرف سوخت در صورت استفاده از رکوپراتور در یک واحد صنعتی را مورد بررسی قرار دادند. هدف از انجام تحقیقات آنها بهینه سازی مصرف سوخت و به حداقل رساندن افت فشار در کانالهای رکوپراتور بود که منجر به طراحی بهینه رکوپراتور گردید
گنخکی - 1395 - با انجام شبیه سازی واحد تولید گاز سنتز پالایشگاه اصفهان و اضافه کردن رکوپراتور به این واحد تولیدی،به این نتیجه رسید که در صورت استفاده از رکوپراتور، علاوه بر افزایش دمای شعله به مقدار قابل توجهی در مصرف سوخت ریفورمر صرفه جویی حاصل می گردد که از لحاظ عددی می توان رقمی معادل با 58/08 درصد از گرمای اتلافی ازاین واحد پالایشگاهی را بازیافت نمود
نژادمحمدنامقی وهمکاران - 1396 - با تحلیل جریان موجود در خروجی دودکش کوره GTC-F واحد صادرات گاز پالایشگاه پنجم پارس جنوبی امکان نصب رکوپراتور در خروجی این کوره را مورد بررسی قرار دادند. و در انتها، مشخصات هندسی رکوپراتور را با توجه به بار حرارتی کل جریان خروجی از دودکش کوره پیشنهاد کردند و در گام آخر هزینه ساخت این رکوپراتور را برآورد کردند
با توجه به اهمیت انرژی و منابع رو به پایان انرژی در کشور و لزوم استفاده بهینه از انرژی، اهمیت استفاده از رکوپراتور در صنایع مشخص می شود. در این تحقیق، یک نمونه رکوپراتور با ظرفیت 150 کیلووات در نرم افزار اسپن شبیه سازی شده است تا با داده های عملی - آزمایشگاهی - مقایسه شود.
این رکوپراتورها - با ظرفیتهای کمتر از 200 کیلووات - در صنایع کوچک مانند واحدهای نانوایی کاربرد دارند.
معرفی رکوپراتور ساخته شده تعریف مساله:
همانطور که در تعریف رکوپراتور آمده است، در رکوپراتور دو جریان گرم و سرد بدون اختلاط با یکدیگر انتقال حرارت انجام می دهند.
شکل : - 4 - شکل شماتیک از رکوپراتور
در رکوپراتور مورد استفاده در این تحلیل - شکل - - - 4، جریان هوای داغ حاصل از محصولات احتراق از قسمت پایین رکوپراتور وارد آن شده و هوای سرد - هوای محیط اطراف - از نازل ورودی، وارد رکوپراتور می شود.
شکل : - 5 - جریانهای ورودی و خروجی به محفظه احتراق و رکوپراتور
در رکوپراتورهای مرسوم مورد استفاده در صنایع گاز، از جریان هوای گرم شده در رکوپراتور به عنوان هوای تغذیه مورد استفاده در محفظه احتراق استفاده می شود و راندمان آن بصورت نسبت حرارت منتقل شده به هوا به حداکثر حرارت قابل انتقال به هوا تعریف می شود که از رابطه - 1 - برای محاسبه مقدار آن استفاده می شود.
رکوپراتور مورد استفاده در این شبیه سازی نیز با فرض استفاده از هوای پیشگرم شده توسط رکوپراتور و استفاده از آن در تغذیه هوای محفظه احتراق در نظر گرفته شده است و می بایست برای محاسبه راندمان در این رکوپراتور از رابطه - 1 - استفاده شود.
روشهای تحلیل عملکرد رکوپراتور:
الف- شبیه سازی بوسیله نرم افزار
ب- تست عملی در آزمایشگاه
شبیه سازی بوسیله نرم افزار :
با توجه به گستردگی و پیچیدگی محاسبات انتقال حرارت و سیالات و همچنین نیاز به سرعت عمل، بهترین روش تحلیل مسایل انتقال حرارت، استفاده از نرم افزار های کامپیوتری می باشد.
به منظور شبیه سازی رکوپراتور نرم افزارهای متعددی وجود دارد که از جمله نرم افزار هایی که کار تحلیل و شبیه سازی را انجام می دهد، نرم افزار اسپن می باشد. نرم افزار اسپن پلاس 1از جمله نرم افزار های موجود در بسته نرم افزاری اسپن است که برای تحلیل مبدلهای حرارتی، رکوپراتور،محفظه های احتراق و... کاربرد دارد. همچنین نرم افزار اسپن ای.دی.آر 2برای شبیه سازی مبدلهای حرارتی بصورت تعریف جزئی هر پارامتر هندسی و... کارایی دارد.
با توجه به گستردگی و پیچیدگی محاسبات انتقال حرارت و سیالات و همچنین نیاز به سرعت عمل، بهترین روش تحلیل مسایل انتقال حرارت، استفاده از نرم افزار های کامپیوتری می باشد.
با توجه به گستردگی و پیچیدگی محاسبات انتقال حرارت و سیالات و همچنین نیاز به سرعت عمل، بهترین روش تحلیل مسایل انتقال حرارت، استفاده از نرم افزار های کامپیوتری می باشد.
به منظور شبیه سازی رکوپراتور نرم افزارهای متعددی وجود دارد که از جمله نرم افزار هایی که کار تحلیل و شبیه سازی را انجام می دهد، نرم افزار اسپن می باشد. نرم افزار اسپن پلاس 3از جمله نرم افزار های موجود در بسته نرم افزاری اسپن است که برای تحلیل مبدلهای حرارتی، رکوپراتور ، محفظه های احتراق و... کاربرد دارد. همچنین نرم افزار اسپن ای.دی.آر 4برای شبیه سازی مبدلهای حرارتی بصورت تعریف جزئی هر پارامتر هندسی و... کارایی دارد.
همانطور که پیشتر اشاره شد، رکوپراتور نوعی مبدل حرارتی است و در نتیجه در این شبیه سازی، از نرم افزار شبیه سازی مبدلهای حرارتی - اسپن - استفاده شده است.
همچنین برای شبیه سازی محفظه احتراق از راکتور آر.استوک 5استفاده شد است که جریان خروجی از آن، همان جریان محصولات احتراق است که وارد رکوپراتور خواهد شد.
ذکر این نکته ضروری است که در این شبیه سازی تنها اطلاعات جریان هوای گرم شده بدست آمده و تزریق این جریان به محفظه احتراق صورت نگرفته است.
همچنین گاز سوزانده شده در محفظه احتراق در روند شبیه سازی، گاز متان در نظر گرفته شده است.
شکل : - 6 - دیاگرام مربوط به محفظه احتراق و رکوپراتور
