توضیحات
پروژه شبیه سازی اجکتور بخار در یک سیستم آب شیرین کن(نمک زدایی) تقطیر چند مرحلهای با تراکم حرارتی بخار(MED-TVC) در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT)
اجکتور:
اجکتور وسیله اي است که می تواند به کمک انرژي جنبشی یک سیال محرك (جریان اولیه) سیالی دیگر (جریان ثانویه) را مکش کند و به حرکت در آورد که این دو سیال در تماس مستقیم با هم می باشند. در واقع اجکتور یک پمپ خلاء بسیار ساده است، بدون اینکه داراي پیستون، سوپاپ، روتور یا هرجز متحرك دیگري باشد. به دلیل دو مزیت اساسی اجکتورها، در صنایع مختلف به وفور از آنها استفاده می شوند: اول هزینه پایین ساخت و عدم محدودیت در انتخاب مواد به طوري که یک اجکتور را می توان از هر ماده جامد قابل ماشین‌کاري تهیه نمود. دوم اینکه به عنوان سیال محرك از انواع مختلفی از گازها و مایعات می توان استفاده نمود. دو نوع متعارف اجکتور وجود دارد که در نوع اول سیال کاري، آب یا مایعی تحت فشار است و در نوع دوم سیال محرك، بخار یا سیالی تراکم پذیر می باشد. اجکتورهاي مایع براي تامین خلاء به نسبت کم و یا مخلوط کردن مایعات مورد استفاده قرار می گیرند اما اجکتورهاي بخار براي تامین خلاء به نسبت زیاد و یا حفظ خلاء در یک سیستم به کار می‌روند.اجکتور خود از چند بخش تشکیل می شود که عبارتند از : محفظه ی مکش، نازل اولیه، محفظه ی اختلاط، قسمت مساحت ثابت ( گلویی اجکتور ) و دیفیوزر.
کاربردهاي اجکتور:
کاربردهاي اجکتور در صنایع و فرآیندهاي مختلف به ترتیب زیر طبقه بندي می‌شوند:
- نفت و گاز
- بازیابی انرژي
- صنایع هسته اي
- تجهیزات انتقال حرارت
- تاسیسات انتقال آب و سایر سیالات.
اهداف کاربردي اجکتورها در صنایع و فرآیندهاي فوق الذکر در شاخه‌هاي اصلی زیر طبقه بندي می‌شوند:
- مکش یا استخراج: مکش یک سیال.
- تراکم: افزایش فشار سیال تا فشار تخلیه مورد نظر.
- رانش یا بالابري: ایجاد جریان با سرعت خروجی معین بین دو نقطه با اختلاف فشار یا ارتفاع.
- اختلاط یکنواخت دو جریان: تولید یک جریان با غلظت یا درجه حرارت یکنواخت در یک واکنش شیمیایی.
- انتقال: انتقال پنوماتیک یا هیدرولیک محصولات به صورت پودر یا انواع دیگر طی فرآیندهاي صنعتی.
روش نمک‌زدایی تقطیر چندمرحله‌ای(MED) یا (Multi-Effect Desalination):
روش نمک‌زدایی تقطیر چند مرحلهای قدیمی‌ترین روش حرارتی اســـت و امروزه یکی از بهترین روشهای تبخیری به شمار می‌رود. ویژگی بارز سیستم تقطیر چند مرحلهای این است که تبخیر گام به گام آب شـــور به وســـیله‌ی انتقال گرما از چگالش بخار در مجموعه لوله‌ها صـــورت می‌گیرد. در اولین گام، بخار متراکم شده با انرژی بیرونی از قبیل سوخت‌های فسیلی یا جمع‌کننده های خورشیدی تولید می‌شود. بخار تولید شده از تبخیر آب شور در مراحل بعدی استفاده می‌شود، که این مراحل با اندکی فشـــار پایین‌تر و دمای کمتر همراه می‌باشـــند. درنتیجه بازیافتن انرژی حاصـــل از چگالش بخار می‌تواند، برای تبخیر بیش‌تر مورد استفاده قرار گیرد.
این آب شـــیرین‌کن‌ها به دو دســـته‌ی آب شـــیرین‌کن تقطیر چند مرحلهای با تراکم مکانیکی بخار(MVC ) و آب شیرین‌کن تقطیر چند مرحلهای با تراکم حرارتی بخار (MED-TVC) تقسیم می‌شوند.
شکل سیستم تقطیر چند مرحلهای با تراکم حرارتی بخار.
یک دستگاه آب شیرین کن تقطیر چندمرحله ای با تراکم حرارتی بخار (MED-TVC) به‌طورکلی از چهار قسمت تشکیل‌شده است که عبارتاند از: کندانسور، دیگ بخار، اجکتور و چند محفظه جداگانه اواپراتور که آنها را تأثیر می‌نامند.
اجکتور در سیستم نمک زدایی:
در دهه های اخیر اجکتورها به خاطر ساختار مکانیکی ساده و کاهش مصرف انرژی، در بسیاری از صـنایع از قبیل نمک زدایی آب دریا، سیستم های تبرید و نیروگاه ها اسـتفاده مـی شـوند. در سیسـتم نمـک زدایـی MED-TVC اجکتور یکی از اجزای مهم است که با مکش بخار بی استفاده در کندانسور، بـازده ی گرمـایی کل سیستم را افزایش می دهد. مطالعات زیادی توسـط محققـان روی اجکتـور انجـام شـده اسـت. در کـل مطالعات روی اجکتور به سه روش آزمایشگاهی، مدل سازی ریاضی و شبیه سازی عددی تقسیم بنـدی مـی شود.
دینامیک سیالات محاسباتی (CFD):
دینامیک سیالات محاسباتی(CFD) یکی از بزرگترین زمینه هایی است که مکانیک قدیم را به علوم رایانه و توانمندی های نوین محاسباتی آن در نیمه دوم قرن بیستم و در سدة جدید میلادی وصل می کند. دینامیک سیالات محاسباتی علم پیش بینی جریان سیال، انتقال حرارت، انتقال جرم، واکنش های شیمیایی و پدیده های وابسته به آن به وسیلة حل معادلات ریاضی که قوانین فیزیکی را بیان می کنند، با استفاده از یک فرآیند عددی است. این معادلات شامل پایستاری جرم، مومنتوم، انرژی، ذرات و غیره است. در این روش با تبدیل معادلات دیفرانسیل پاره ای حاکم بر سیالات به معادلات جبری، امکان حل عددی این معادلات فراهم می شود. با تقسیم ناحیه موردنظر برای تحلیل به المان های کوچکتر و اعمال شرایط مرزی برای گره های مرزی با اعمال تقریب هایی، یک دستگاه معادلات خطی به دست می آید که با حل این دستگاه معادلات جبری، میدان سرعت، فشار و دما در ناحیه موردنظر بدست می آید. با استفاده از نتایج بدست آمده از حل معادلات می توان و برآیند نیروهای وارد بر سطوح، و ضریب انتقال حرارت و غیره را محاسبه نمود. اکنون روش دینامیک سیالات محاسباتی جای خود را در کنار روش های آزمایشگاهی و تحلیلی برای تحلیل مسائل سیالات باز کرده است و استفاده از این روش ها برای انجام تحلیل های مهندسی امری عادی شده است. درواقع تحلیل های دینامیک سیالات محاسباتی مکمل آزمایش ها و تجربیات بوده و مجموع تلاش ها و هزینه های موردنیاز در آزمایشگاه را کاهش می دهد. دینامیک سیالات محاسباتی به صورت گسترده در زمینه های مختلف صنعتی مرتبط با سیالات، انتقال حرارت و انتقال مواد به کمک سیال بکار گرفته می شود. از جمله این موارد می توان به صنعت کشتی سازی، صنعت خودروسازی، صنایع هوافضا و بسیاری موارد گسترده صنعتی دیگر اشاره کرد که دانش دینامیک سیالات محاسباتی به عنوان گره گشای مسائل صنعتی مرتبط تبدیل شده است. علی رغم اینکه قدمت دینامیک سیالات محاسباتی در دنیا چندان زیاد نیست، این شاخه از علم در ایران و در سال های اخیر، رشد بسیار خوبی داشته است.
نرم افزارهای شبیه سازی عددی:
نرم افزارهایی مانند انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)، Ansys CFX و استار سی سی ام( +STAR CCM) نرم افزارهایی برای انجام شبیه سازی های عددی هستند که به حل عددی معادلات حاکم بر پدیده های سیالاتی خواهند پرداخت. نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) یکی از نرم افزارهای صنعتی مشهور می باشد که دارای قابلیت های فراوانی در تحلیل سیالات است. این نرم افزار قابلیت مدلسازی جریان های دو و سه بعدی را دارا می باشد. برای استفاده از این نرم افزار ابتدا توسط یک نرم افزار کمکی هندسه جریان مشخص گردد و عمل مش بندی نیز صورت می گیرد. نرم افزار Fluent قابلیت انجام محاسبات با دقت معمولی و دقت مضاعف را دارد و کاربر می تواند هرکدام را براساس نیاز خود انتخاب نماید. این نرم افزار برپایه روش حجم محدود که یک روش بسیار قوی و مناسب در روش های دینامیک سیالات محاسباتی است، بنا شده است. قابلیت های فراوانی نظیر مدلسازی جریان های دائم و غیر دائم، جریان لزج و غیر لزج، احتراق، جریان مغشوش، حرکت ذرات جامد و قطرات مایع در یک فاز پیوسته و ده ها قابلیت دیگر نرم افزار Fluent را به یک نرم افزار بسیار قوی و مشهور تبدیل نموده است. نرم افزار Fluent برای تحلیل مسائل خاص، روش های شبیه سازی کامپیوتری متفاوتی را بکار می برد و برای راحتی کار، تعریف مسئله، محاسبه و دیدن نتایج، منوهای مختلفی در نظر گرفته شده است. وقتی نیاز باشد، Fluent می تواند مدل موردنظر را از دیگر نرم افزارهای تولید مدل که با آنها سازگاری دارد وارد کند. این نرم افزار امکان تغییر مش بندی به صورت کامل و تحلیل جریان با مش بندی های پیچیده را فراهم می سازد. نوع مش های قابل تولید و دریافت توسط این نرم افزار شامل مش هایی با المان های مثلثی و چهارضلعی (برای هندسه های دوبعدی) و چهاروجهی، شش وجهی، هرمی یا گوه ای(برای هندسه های سه بعدی) است. این نرم افزار با زبان برنامه نویسی C نوشته شده است و از تمامی توان و قابلیت انعطاف این زبان بهره می برد. درنتیجه این نرم افزار با استفاده از ساختار مناسب داده ها و اطلاعات، حافظه دینامیک و کنترل انعطافپذیر محاسبات را ممکن می سازد. نرم افزار فلوئنت که با زبان برنامه نویسی C نوشته شده است، یک برنامه کامپیوتری قدرتمند برای تحلیل و شبیه سازی جریان سیال و انتقال حرارت در هندسه‌های پیچیده می‌باشد. در این نرم افزار با کمک قابلیت توابع تعریف شده توسط کاربرکه با زبان C و توسط کاربر نوشته می‌شوند، می توان قابلیت‌ها و توانایی‌های نرم افزار را در تشریح شرایط مرزی، تعریف خواص فیزیکی و حتی ایجاد و تولید شیوههای بهتر افزایش داد.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی اجکتور بخار در یک سیستم آب شیرین کن(نمک زدایی) تقطیر چند مرحلهای با تراکم حرارتی بخار(MED-TVC) در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه اجکتور در نرم افزار ANSYS Design Modelerترسیم شده است.
شبکه و مش بندی:
در گام دوم از روند شبیه سازی نیازمند شبکه بندی مناسب برای استفاده از روش حجم محدود می باشد. بنابراین یکی از مهم ترین و اساسی ترین قسمت در یک حل عددی با دقت قابل قبول با صرف کمترین هزینه و دقت مناسب و همچنین صرف زمان کم از موضوعات مهم در یک شبیه سازی موفق می باشد. در این پروژه از نرم افزار انسیس مشینگ( Ansys Meshing) به منظور شبکه بندی هندسه استفاده شده است. تولید یک شبکه مناسب تاثیر بسیار زیادی در دقت نتایج به دست آمده خواهد داشت. لازم است در نواحی که گرادیان های جریان زیاد است و یا سطح جسم از لحاظ هندسی با تغییرات زیادی همراه است، شبکه از تراکم مناسبی برخوردار باشد. شبکه و مش در نرم افزار ANSYS Meshing تولید شده است.
شکل شبکه محاسباتی.
شبیه سازی:
شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.
حلگر:
نوع حلگر مورد استفاده، حلگر مبتنی بر فشار در شرایط پایا و متقارن می باشد.
مدل لزجت:
مدل آشفتگی دو معادله ای K-epsilon استاندارد استفاده شده است.
سیال:
برای شبیه سازی اجکتور از بخار آب به عنوان سیال عامل اجکتور استفاده شده است.
وابستگی سرعت-فشار:
به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم حل سیمپل(SIMPLE) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
