بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مشکلات موجود در سکوهای دریایی این است که جداکننده هایی که به طور رایج در این سکوها به منظور جداسازی فازهای گاز و مایع مورد استفاده قرار می گیرند، فضای زیادی را اشغال نموده و هزینه های نگهداری و عملیاتی آنها بالا می باشد . استفاده از جداکننده های مافوق صوت به عنوان یک سیستم جداسازی کم حجم و کم هزینه با راندمان بالا مورد استقبال قرار گرفته است . از آن جا که قسمت اصلی این دستگاه های جدا کننده را معمولاً یک نازل همگرا- واگرا تشکیل می دهد
در این مقاله به بررسی عملکرد نازل همگرا-واگرا از روش شبیه سازی CFD با کمک تئوری ترمودینامیکی بخار مرطوب جهت رطوبت زدایی از گاز طبیعی پرداخته شده است. به علاوه نتایج این شبیه سازی با داده های تجربی حاصل از کارکرد دستگاه واقعی مقایسه شده که سازگاری قابل قبولی را نشان می دهد .از جمله نتایج حاصله می توان به مقادیر کمی نرخ تولید مایع، میزان هسته زایی ، تغییرات درجه حرارت سیال، حداکثر سرمایش سیال نسبت به نقطه شبنم ، میزان رشد قطرات مایع و میزان فوق اشباعیت سیال در قسمت های مختلف نازل در آزمایش عبور گاز با فشار و دمای ورودی معین اشاره نمود. همچنین نتایج نشانگر آن است که میزان جدایش رطوبت از گاز در نازل به حداکثر مقدار ممکن رسیده است.
مقدمه :
اصول کارکرد نازل مافوق صوت به گونه ای است که در ورودی جریان گاز پر فشاری وارد نازل شده و در اثر انبساط افت فشار می یابد، بر طبق پدیده ای همانند ژ ول- تامسون دمای سیال نیز کاهش می یابد، و به این خاطر که فشار بخار، با دما کاهش می یابد، جریانی با فوق اشباعیت بسیار بالا حاصل خواهد شد و این میزان فوق اشباعیت برای ایجاد آنی هسته های مایع در درون جریان کافی خواهد بود.
با وجود ذخایر عظیم گاز طبیعی در کشور، لازم است در زمینه افزایش سطح فن آوری در صنعت گاز تلاش شود، هر چند که تعداد مقالات شبیه سازی دینامیک سیالات محا سباتی منتشر شده در زمینه حذف رطوبت از گاز طبیعی توسط یک نازل مافوق صوت بسیار کم است، اما به عنوان مثال می توان به مطالعاتی که طی سال های ًًٍٍ تا ًًٍَ توسط مهندسین شرکت تویستر بی وی در زمینه کاربردهای مختلف جداکننده های مافوق صوت از جمله رطوبت زدایی گاز طبیعی، کنترل نقطه شبنم هیدروکربن ها، بازیافت عمیق مایع و حذف سولفید هیدروژن انجام شده اند [2] اشاره نمود.
همچنین جسیم و همکارانش [3]، جریان گاز طبیعی عبوری از قسمت های مختلف یک نازل مافوق صوتی به نام های " قسمت مادون صوتی قسمت گلوگاه منطقه مافوق صوتی"، را مطالعه نمودند، و به این نکته رسیدند که برای رسیدن به سرعت صوت در گلوگاه لازم است که قطر ورودی دستگاه بیش از 5 برابر قطر گلوگاه باشد. در سال ًًٍُ، کریمی و عابدین زادگان عبدی [4]، به شبیه سازی جریان مافوق صوتی عبوری از یک نازل همگرا- واگرا پرداخته و محل ایجاد موج شوک را در داخل دستگاه جداکننده مافوق صوتی بررسی نمودند . همچنین، در سال ًًٌٍ رشیدی و همکارانش[5] ، کانون توجه خود را بر رفتار جریان و محل موج شوک در یک نازل همگرا- واگرا قرار دادند.
هدف این مقاله شبیه سازی CFD، جریان مافوق صوت غیر تعادلی عبوری از نازل همگرا- واگرا و بررسی رفتار کیفی جریان و حصول مقادیر کمی مثل نرخ تولید مایع، میزان هسته زایی ، حداکثر سرمایش سیال نسبت به نقطه شبنم ، میزان رشد قطرات مایع و میزان فوق اشباعیت سیال در قسمت های مختلف نازل است.
در این مطالعه، جریان بخار مرطو ب مافوق صوت در نازل همگرا- واگرا با مقطع دوار، شبیه سازی گردیده است. در این شبیه سازی تئوری ریاضی مربوط به مدل بخار مرطوب با کمک نرم افزار فلوئنت، به کار می رود . بدین ترتیب می توان نتایج حاصل از این شبیه سازی را با نتایج تجربی موجود ، مقایسه و با توجه به اینکه نرم افزارهایی که با روش CFD شبیه سازی ها را انجام می دهند درجه آزادی بالایی دارند، امکان بهینه سازی میزان جداسازی به واسطه تغییر تعداد زیادی از پارامترهای کنترلی وجود دارد.
در این شبیه سازی به منظور شبیه سازی هسته زایی فاز مایع در نازل، از تئوری هسته زایی کلاسیک، و همچنین برای شبیه سازی آشفتگی جریان از معادلات k-، استفاده شده است.
مدل ریاضی
برای ارائه معادلات حاکم، شرح مختصری از شرایطی که منجر به تشکیل قطرات می شود مورد نیاز است. برای شروع هسته زایی همگن که در بخار متراکم در سطح قابل توجهی از فوق سرمایش اتفاق می افتد نرخ انبساط سیال بسیار بالاست . در مورد بخار سطوح فوق سرمایش، در اینجا، به عنوان اختلاف بین درجه حرارت بخار محلی و درجه حرارت اشباع - تعیین شده توسط فشار محلی - تعریف شده و به حدود ًُ درجه کلوین رسیده است. توزیع خوب قطرات، در میدان جریان نیاز به مدل هایی برای انتقال حرارت و جرم بین قطرات مایع و فاز بخار دارد.
در ادامه هسته زایی، انتقال حرارت به صورت گرمای نهان آزاد شده قطرات به فاز بخار صورت می گیرد. درجه حرارت بخار و قطرات مایع در شرایط اشباع متفاوت است . با چشم پوشی از لغزش بین فاز ها از پیچیدگی سیستم دوفازی،کاسته میشود.اثر متقابل بین فازها از طریق ترمهای منبع است.
- معادلات حاکم بر فاز بخار
معادله بقای جرم فاز بخار
یک معادله بقای جرم برای فاز بخار و با استفاده از ترم های چشمه جرم - Sm - برای بازتاب فرآیندهای میعان و تبخیر میباشد
بقای ممنتوم فاز بخار
معادلات ممنتوم بخار براساس معادلات متوسط گیری شده رینولدزی نویر استوکس برای جریان آشفته َ بعدی میباشد و نیاز به یک مدل آشفتگی برای نمایش ترمهای آشفته استرس رینولدزی است.
