توضیحات
پروژه شبیه سازی اجکتور در نرم افزار انسیس فلوئنت
Simulation of Ejector in ANSYS FLUENT
اجکتور:
اجکتور نوع ساده شده ای از یک پمپ خلاء یا یک کمپرسور خلاء می باشد که در آن هیچ گونه پیستون، شیر یا روتور و دیگر اجزای متحرک وجود ندارد. ساختمان یک اجکتور از چهار قسمت نازل ابتدایی، محفظه اختلاط، قسمت قطر ثابت و دیفیوزر تشکیل شده است و به علت این نوع ساختمان و وجود بخش همگرا و واگرا، اجکتور عمل تراکم را در عوض کمپرسور انجام می دهد. سیال فشار بالا وارد نازل ابتدایی شده و با عبور از نازل ابتدایی سرعتش افزایش و فشارش کاهش می یابد. با این عمل، فشار داخل اجکتور نسبت به بیرون کاهش قابل ملاحظه ای می یابد و سیال ثانویه به محفظه اختلاط کشیده شده و با سيال داخل اجکتور مخلوط می شود. در دیفیوزر سرعت زیاد و فشار کم سیال، به سرعت کم و فشار زیاد سیال تبدیل می شود که از فشار مکش مخلوط هوا بیشتر است و یا به عبارت دیگر هد سرعت مخلوط به فشار تبدیل می شود که از فشار مکش مخلوط هوا بیشتر و ولی از فشار بخار ورودی کمتر می باشد.
1- جریان اولیه ۴- جریان ثانوی ۳- جریان خروجی الف- بخش نازل ب- بخش اختلاط ج- بخش قطر ثابت د- بخش دیفیوزر
شکل ساختمان یک اجکتور.
استفاده از اجکتورها برای کاربردهای مناسب متکی بر فاکتورهای زیر می باشد:
- فشار بخار: انتخاب اجکتور بر مبنای فشار مینیمم خط انتخاب شود.
- دمای سیال عامل: انتخاب بر مبنای دمای ماکزیمم سیال عامل می باشد.
- دما و فشار مکش: احتياجات کلی فرآیند باید در نظر گرفته شود، انتخاب معمولا به وسیله مینیمم فشار مکش مورد نیاز (بالاترین خلاء) می باشد.
- ظرفیت مورد نیاز
خصوصیات اجکتور:
اجکتورها خصوصیات زیر را، که انتخابی خوب برای تولید اقتصادی مداوم شرايط خلاء را ایجاد می نمایند، دارا می باشند:
- آنها با مخلوط های بخار خورنده خشک یا مرطوب کار می کنند.
- یک خلاء منطقی مورد نیاز برای عملیات صنعتی را ایجاد می نمایند.
- در اندازه های مختلف برای ظرفیت های کم و زیاد موجود می باشند.
- استفاده از آنها راحت می باشد.
- هیچ قسمت متحرکی ندارند. بنابراین هزینه تعمیر آنها پایین و عمل آنها اگر سیال خورنده ای وجود نداشته باشد یکسان و یکنواخت است.
- می توان از اجکتورها در محل کارهای قابل انفجار استفاده نموده و خطر انفجار توسط جرقه را برطرف ساخت.
- هزینه های ساخت نسبت به پمپ های خلاء مکانیکی پایین تر است و هم چنین فضای کمی را اشغال می کنند.
انواع اجکتور:
اجکتور می تواند یک مرحله ای با چند مرحله ای باشد. در استفاده از اجکتورها به صورت چند مرحله ای ممکن است از کندانسور استفاده شود. اجکتور چند مرحله ای به سیستم اجازه می دهد در فشارهای مطلق پایین تر از یک مرحله ای عمل نماید. وقتی که بار ورودی زیادی داشته باشیم و یا به این دلیل که اگر قسمتی از سیستم فرآیند دچار خرابی شد و نیاز به تعمیر داشت بدون ایجاد مشکل برای قسمت های خراب, از سایر قسمت ها جدا می شود به صورت موازی به کار برده می شوند. واحدهای چند مرحله ای سری برای فشارهای پایین مورد نیاز می باشد. اجکتورها را می توان به ۲ نوع اجکتور مایع و گاز نیز تقسیم کرد.
موارد کاربرد اجکتورها:
نقطه جوش تابع مستقیمی از فشار محیط است. به عبارت صحیح تر، فشار و نقطه جوش رابطه مستقیمی با هم دارند. لذا کاهش فشار محیط، کاهش نقطه جوش را به همراه دارد. با توجه به این عبارت، اهمیت اجکتور به عنوان تنها وسیله تولید خلاء در صنایع نفت و پتروشیمی مشخص می شود. از موارد استفاده اجکتور میتوان به دو مورد زیر اشاره کرد: همان گونه که می دانیم هیدروکربن ها در درجه حرارت های بالا، ممکن است شکسته شوند و یا با ذرات دیگر ترکیب شوند، بنابراین برای تصفیه و تفکیک نفت خام در پالایشگاه ها از برجهای خلاء استفاده می شود زیرا عمل موجب کاهش حرارت در برج ها شده و این مکان را فراهم می آورد که بدون ازدیاد درجه حرارت و جلو گیری از شکسته یا ترکیب شدن مواد به میزان زیاد آن ها را تفکیک و تصفیه کنیم. تخلیه یک طرفه مایعات از دیگر استفاده های اجکتورهاست که در این حالت اجکتور همانند یک تلمبه عمل می نماید که در صنعت به پمپ جت معروف است.
آنالیز ترمودینامیکی اجکتور:
همانطور که گفته شد اجکتور وسیله ای است که از یک سیال فشار بالا (سیال محرک) استفاده می کنند تا یک سیال فشار پایین (جريان ثانویه) را دنبال خود به حرکت در آورد. اجکتور از چهار قسمت عمده نازل ابتدایی، محفظه اختلاط، قسمت قطر ثابت و دیفیوزر تشکیل شده است. سیال فشار بالا وارد نازل ابتدایی شده و با عبور از نازل ابتدایی سرعتش به شدت افزایش و فشارش کم می شود. با این عمل فشار داخل اجکتور نسبت به بیرون کاهش قابل ملاحضه ای می یابد و باعث ایجاد خلا شده و سیال ثانویه به محفظه اختلاط اجکتور کشیده می شود و با سیال داخل اجکتور مخلوط شده و با عبور از دیفیوزر و قسمت تخلیه از اجکتور خارج می شود.
ساختمان اجکتور:
اجکتور، دستگاهی است که قادر است با ایجاد خلا، جریان گاز، مایع و یا جامد مانند پودر، گرانول و لجن را انتقال دهد و اساس کار آن بر پایه تبدیل انرژی سرعتی و فشاری به یکدیگر است. اجکتورها یکی از دستگاههای مهم مورد استفاده در صنایع می باشند. این دستگاه ها دو وظیفه عمده بر عهده دارند که عبارت است از ایجاد خلأ و تخلیه گازها و دیگر مخلوط کردن سیالات می باشد. در بکارگیری و طراحی اجکتور هر یک از وظایف فوق و یا هر دو با هم میتواند مد نظر قرار گیرد. به عنوان مثال در صنایع غذایی برای بهبود کیفیت کنسانتره میوه ها و همچنین افزایش ظرفیت واحد از شرایط تحت خلأ استفاده می شود و همچنین در پالایشگاهها برای جدا کردن مواد نفتی سنگین که دمای جوش بالا دارند از تقطیر تحت خط استفاده می کنند که برای ایجاد خط میتوان از اجکتور استفاده کرد. در بعضی موارد از اجکتور برای مخلوط مایعات و گازها و مایعات استفاده می شود و هم چنین برای جدا کردن ذرات معلق در گازها آنها را با مایعات مخلوط میکنند که برای این کار از اجکتور استفاده می شود. اجکتور کاربردهای تازه ای نیز پیدا کرده که به عنوان نمونه می توان به جایگزینی اجکتور با کمپرسور در یک سیکل تبرید اشاره کرد. برای ایجاد خط از دستگاه های دیگری نیز استفاده می کنند که متداولترین آن ها پمپ های خلا می باشد این دستگاه ها به علت ظرفیت محدود تخلیه و هم چنین داشتن قسمت های مکانیکی متحرک زیاد هزینه نصب و تعمیر و نگهداری بالایی دارند. اجکتور دستگاهی برای مکش، انتقال، تراکم و یا اختلاط گازها، بخارات، مایعات و حتی ذرات جامد می باشد که در آن انرژی پتانسیل یک سیال محرک (گازیا مایع) فشار بالا با گذشتن از یک نازل، به انرژی جنبشی تبدیل شده و با کاهش فشار استاتیک میتواند ماده ثانویه ای را مکش کند. در نتیجه سیال محرک و ماده ثانویه در دیفیوزر با یکدیگر مخلوط شده و متراکم میگردند. چون اعمال تغییرات فشار و سرعت داخل این وسیله به خاطر حرکت سیال در داخل کانالهای واگرا و همگراست. لذا آن را جزء دسته کمپرسورهای سیالی می دانند. گاهی اجکتور را جت اجکتور می نامند. دلیل این نامگذاری فوران یا حالت پرتاب سیال در قسمت ورودی و خروجی آن است.
اجکتورها گازها و بخارات را زمانی که اختلاط گازها یا بخارات با سیال راندمانی امکانپذیر باشد؛ از یک فضای خالی خارج کرده و آنها را برای تخلیه کردن در یک فشاری بالاتر متراکم می نماید. به طور کلی اجکتورها وسایلی هستند که برای ایجاد خلاء در محفظه های بسته مورد استفاده قرار می گیرند. اجکتورها نوعی پمپ خلاء یا کمپرسور خلاء هستند، لیکن در ساختمان آنها هیچ گونه قطعه متحرک مکانیکی وجود ندارد. لذا تعمیرات ونگهداری آنها ساده و کم هزینه است. بنابراین از لحاظ اقتصادی، اجکتورها در مقایسه با انواع پمپ های خلاء وسیله ای مناسب و باصرفه برای تولید خلاء می باشند. یک اجکتور نوع ساده شده ای از یک پمپ خلاء یا کمپرسور خلاء می باشد که در آن هیچ گونه پیستون، شیر یا پروانه و دیگر اجزای متحرک وجود ندارد. بخار با فشار بالا به محفظه بخار وارد می شود و در حین عبور از نازل بخار منبسط شده و نازل را در یک سرعت بسیار بالایی ترک می نماید، و آنتالپی سیال به انرژی جنبشی تبدیل می شود و در نتیجه فشار سیال به شدت کم می شود و فشار داخل اجکتور خیلی کمتر از بیرون آن می شود این عمل باعث ایجاد خ شده و سیال از فرایند به محفظه اختلاط کشیده شود و در محفظه اختلاط با سیال داخل اجکتور مخلوط شده و در اینجا هوا و دیگر مخلوط به وسیله بخار با سرعت بالا به ورودی دیفیوزر یا نازل ونتوری شکل وارد می شود و سپس از انتهای دیفیوزر خارج می شود. در دیفیوزر سرعت زیاد و فشار کم سیال به سرعت کم و فشار زیاد سیال تبدیل می شود و یا به عبارت بهتر هد سرعت مخلوط به فشار تبدیل می شود که از فشار مکش مخلوط هوا بیشتر ولی از فشار بخار ورودی کمتر می باشد. مومنتوم سیال خروجی از نازل راننده بالاتر می باشد. این سرعت به گازهای در حالت خلیه هم وارد می شود. در این حالت سرعت مخلوط ما کمتر از سرعت سیال راننده وارد شده است؛ ولی در هرصورت سرعت آن هم چنان بیشتر از سرعت صوت است. به همین دلیل شیپوره بزرگ تر به صورت یک دیفیوزر همگرا- واگرا است که در قسمت واگرای آن فشار افزایش یافته و سرعت سیال از سرعت صوت کمتر می شود. مسلم است که فشارخروجی اجکتور از فشار ورودی آن بیشتر است و علت عدم بازگشت گاز از خروجی اجکتور به ورودی آن سرعت زیاد مخلوط آب و گازها در دیفیوزر اجکتور می باشد. اجکتورها بر اساس اینکه در آنها از چه سیالی بعنوان سیال محرک، استفاده می شود، به سه دسته تقسیم می شوند:
1-اجکتورهای بخار
۲-اجکتورهای آب یاسایر مایعات فرایندی
۳-اجکتورهای هوا نوع دیگر دسته بندی اجکتورها بر اساس نوع کاربردی که می تواند ایجاد کند، انجام می گیرد.
اولین و مهمترین کاربرد اجکتور ایجاد خلا است که می تواند برای فرایندهایی چون تقطیر و تبخیر تحت خلا استفاده شود. در برخی از موارد نیز میتوان از اجکتور جهت انتقال و پمپاژ آب یا مایعات دیگر استفاده نمود که سیفون و ادکتور دو نوع از این اجکتورها می باشند. یکی دیگر از مهمترین موارد استفاده از اجکتورها، تهويه محیط و حذف ذرات آلوده موجود در سیاست می باشد که جهت تخلیه استفاده می شود. یک تانک، از یک دستگاه تهویه یا برای حذف ذرات گرد Ventilator و نیز از Gas Scrubber غبار، آلودگی، بخارات و بوی بد گازهای صنعتی استفاده می شود.
شکل شماتیک اجکتور و اجزای آن.
اساس کار اجکتور به این صورت است که سیال اصلی که قبلا تحت فشار قرار گرفته است با فشار از مجرای ورودی یا کانال ورودی باریک به سرعت جهش مانند به فضای مخروطی شیپور هدایت و وارد محفظه اجکتور می گردد. به علت فرم بخصوص مجرا فشار سیال به سرعت تبدیل شده لذا یک حالت مکش در این مرحله پدید آمده و سیال دوم از طریق مجرایی که به آن کانال مرتبط است مکش میگردد و با سیال اولیه ترکیب میگردد سپس دو سیال ترکیب شده از کانال خروجی خارج می شوند. مسلم است که فشار خروجی اجکتور از ورودی آن بیشتر است و علت برنگشتن گاز از خروجی اجکتور به ورودی آن سرعت زیاد مخلوط آب و گازها در خرطومی مفید اجکتور است.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی اجکتور در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است. از حل تقارن محوری به منظور تبدیل اثر سه بعدی به دو بعدی کمک گرفته شده است. الگوریتم SIMPLE برای معادلات وابستگی سرعت-فشار استفاده شده است. مدل آشفتگی دو معادله ای Realizable k-ε برای مدلسازی جریان متلاطم انتخاب شده است. حلگر براساس فشار انتخاب شده است. برای گسسته سازی معادله فشار از روش مرتبه دوم، و گسسته سازی معادلات مومنتوم و انرژی از طرح بالادست مرتبه دوم استفاده شده است.
سیال عامل:
سیال عامل به کار رفته R141b است.
هندسه مسئله:
هندسه اجکتور در نرم افزار ANSYS Design Modelerترسیم شده است.
شبکه و مش بندی:
شبکه و مش در نرم افزار ANSYS Meshing تولید شده است.
شبیه سازی:
شبیه سازی در نرم افزار فلوئنت(FLUENT) انجام شده است.
جهت حل مسئله از حل کننده فشار مبنا (Pressure based) استفاده شده است.
مدل آشفتگی دو معادله ای Realizable k-ε استفاده شده است.
برای ارتباط فشار و سرعت از الگوریتم سیمپل(SIMPLE) استفاده شده است. برای گسسته سازی معادلات فشار از روش مرتبه دوم و برای گسسته سازی معادلات مومنتوم و انرژی از طرح بالاست مرتبه دوم(second upwind order) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
