بخشی از مقاله
خلاصه
گاز طبیعی در خطوط انتقال با فشار Psi 1000 منتقل میشود که قبل از ورود به شهر وارد ایستگاههای تقلیل فشار میشود. توسط شیرهای فشارشکن فشار آن به مقدار مناسب برای توزیع شهری کاسته میشود. کاهش فشار توسط شیر فشارشکن کاهش دمای گاز را در پی دارد که درنتیجه آن تشکیل هیدرات و انسداد مجاری گاز ممکن است رخ دهد. برای جلوگیری از تشکیل هیدرات از مبدلهای انتقال حرارت آب به گاز برای گرم کردن گاز و کاهش احتمال تشکیل هیدرات استفاده میشود. در این مبدلها لولههای جریان گاز طبیعی - کویل - ، سیال واسط و لوله آتش وجود دارد که حرارت توسط سیال واسط از لولههای آتش به لولههای جریان گاز طبیعی منتقل میشود. بهمنظور افزایش ضریب انتقال حرارت در لوله جریان گاز طبیعی، لولههای پره دار با ارتفاع سه ارتفاع مختلف و سه ارتفاع مختلف در چهار دبی متفاوت و اثرگذاری آن بر روی میدان فشار و میزان انتقال حرارت مورد بررسی قرارگرفته است. لوله با نسبت ارتفاع پره به قطر لوله 0,15 - e/d - و طول گام 2 - P/e - بیشترین افزایش ضریب انتقال حرارت در نتیجه افزایش دما و بیشترین افت فشار در لوله را دارا میباشد.
کلمات کلیدی: مبدل انتقال حرارت آب به گاز، لوله جریان گاز طبیعی، گاز طبیعی، CFD
1.مقدمه
گاز طبیعی، گازی بیرنگ است که متان بیشترین درصد از ترکیب آن را دارا میباشد به هنگام استخراج دارای ناخالصیهایی مانند آبشور بوده که در پالایشگاههای گاز، تصفیهشده و به گاز قابلمصرف در صنایع مختلف و منازل تبدیل میشود. با این وجود هنوز در گاز پالایششده مقداری بخارآب وجود دارد.گاز استخراجشده از میدانها گاز بعد از انجام عملیات پالایشی در پالایشگاهها، توس خطوط انتقال اصلی و خطوط فرعی در سطح کشور توزیع میشود. به علت اصطکاک گاز در طول لولههای انتقالی و وجود افتهای فرعی در شبکه انتقال' گاز دچار افت فشار میشود که برای جبران این افت، از ایستگاههای تقویت فشار استفاده میشود. در این ایستگاهها، گاز فشردهشده و فشار آن افزایش مییابد. فشار گاز در لولههای اصلی انتقال گاز قبل از اینکه به محل توزیع برای مصرف برسند، باید در محدوده مجاز فشار قرارگرفته باشد.
لذا لولههای انتقال گاز قبل از ورود به شهر، وارد ایستگاه تقلیل فشار گاز شهر یا به اصطلاح C.G.S.3 در ایستگاههای ورودی شهر میشوند. [1]در حال حاضر در اکثر ایستگاههای تقلیل فشار که از خطوط فشارقوی تغذیهمیشوند، فشار گاز به Psi 250 دمای آن نیز افت میکند. حال گاز طبیعی کمتر شود، یخ زدن کاهش مییابد. بنابراین با کاهش فشار گاز طبیعی، اگر دمای آب از دمای نقطه شبنم بخارآب موجود در ذرات بخارآب در گاز طبیعی غیرقابل اجتناب خواهدبود.[2] مولکولهای آب به خاطر داشتن پیوند هیدروژنی قوی با به وجود آوردن حفرههایی تشکیل ساختار شبه شبکهبندی میدهند. این ساختار که به عنوان شبکه هیدرات خالی شناخته میشود، ناپایدار است. با این وجود در حضور اجزا گاز طبیعی با قطرهای مولکولی کوچکتر از قطر حفرهها میتواند به یک ساختار پایدار تبدیل شود.
بنابراین این ماده کریستالی شبیه به یخ به عنوان هیدرات گاز شناخته میشود. نقلوانتقال گاز طبیعی همواره با آب همراه است و اگر این گاز در شرای مناسبی قرار نگیرد، تشکیل هیدرات میدهد.[3] بنابراین پدیده هیدرات در گاز طبیعی به علت افت دما در رگلاتور به وجود میآید. البته باید خاطرنشان کرد که تشکیل هیدراتها علاوه بر دما به فشار جزئی بخارآب نیز وابسته است. بنابراین در این ایستگاهها، گاز طبیعی ابتدا در سیستم گرمایشی گرم میشود تا از رسیدن دمای گاز به زیر نقطه شبنم آب در رگلاتور جلوگیری شود. لذا نباید درجه حرارت گاز در ایستگاههای تقلیل فشار کمتر از صفر درجه سانتیگراد شود.[4]مبدل مورداستفاده در ایستگاههای تقلیل فشار، از نوع مبدل مخزن آبی غیرمستقیم1 میباشد. در شکل1 نمایی از مبدل را میتوان مشاهده کرد.
با توجه به بالا بودن مصرف انرژی در کشور، کاهش مصرف سوخت در مصارف صنعتی از اهمیت خاصی برخوردار است. بهبود راندمان مبدلها در ایستگاههای سراسر کشور با یک هزینه اندک باعث برگشت سرمایهای عظیم به سیستم کشور شود. همچنین افزایش تقاضا، کاهش ذخیره سوخت فسیلی و کاهش سطح آلودگی، نیاز به بهبودی بیشتر در سامانههای احتراق را امری غیرقابل انکار میکند. بدین منظور میتوان با ایجاد تغییرات با افزایش ضرایب انتقال حرارت راندمان مبدل انتقال حرارت را افزایش داد تا مصرف سوخت کاهش یافته و در مصرف آن صرفهجویی شود. به همین دلیل با ایجاد پره در لولههای انتقال گاز طبیعی در ارتفاع و فاصلههای متفاوت میزان تغییرات در میدان فشار و میزان انتقال حرارت در لوله و دما خروجی از آن مورد بررسی قرار میگیرد.
2.هندسه لوله انتقال گاز طبیعی
مبدل مورد نظر دارای هفت لوله انتقال گاز طبیعی است که یکی از لولهها شبیهسازی شده است و نتایج برای سایر لولهها تعمیم داده میشود. لوله موردنظر به همان شکل که در مبدلهای انتقال حرارت مورداستفاده قرار میگیرد طراحی و سپس با طراحی لوله بهصورت پره دار نتایج حالتهای مختلف مورد بررسی قرار میگیرد. در شکل2 نمایی از لوله انتقال گاز طراحیشده را نشان میدهد که در آن H ارتفاع، W عرض و L طول لوله است. مقادیر ابعاد در جدول1 آورده شده است.
برای تحقیق و مقایسه لوله پره دار با نسبت ارتفاع پره به قطر لوله 0,15 - e/d - و 0,10 و نسبت گام پره به قطر پره 2 - P/e - و 5 طراحیشده است که قسمتی از لوله پره دار طراحیشده در شکل3 قابل مشاهده است.
3. مدل دینامیک سیالات محاسباتی
در این مطالعه بررسی لوله انتقال گاز طبیعی در مبدل انتقال حرارت به کمک نرمافزار Ansys Fluent انجام شده است. طراحی هندسه و شبکهبندی آن نیز در نرمافزار گمبیت انجام شده است که نمایی از شبکهبندی ساده و پره دار آن در شکل4 قابل مشاهده است.
