وبلاگ

:
انتقال حرارت یکی از راه های رایج انتقال انرژی بین دو جسم می باشد است. اهمیت این مبحث تا جایی است که در بسیاری از پدیده های طبیعی یا صنعتی به طور اختصاصی مورد مطالعه قرار می گیرد. حرارت همواره از محیط با دمای بیشتر به محیط با دمای کمتر انتقال می یابد. رسانش (هدایت)، جابجایی و تشعشع (تابش) سه مکانیزم انتقال حرارت هستند. رسانش و جابجایی به ترتیب مکانیزم های انتقال حرارت در جامدات و سیالات می باشند. تشعشع برای انتشار به محیط مادی نیاز ندارد و در هر سه فاز جامد مایع و گاز وجود دارد.
در اغلب موارد انتقال حرارت کلی ترکیبی از دو یا سه مکانیزم فوق می باشد که صرفنظر کردن از یک مکانیزم موجب بروز خطاهای نسبتا قابل توجه در محاسبات می گردد. به طور مثال در نظر گرفتن همزمان جابجایی و تشعشع برای مسائل کوره ها، موتورهای احتراق داخلی، نازل های موشک و پدیده های جوی ضروری است.

با توجه به کاربرد گسترده علم انتقال حرارت در صنایع مختلف و میزان انرژی مورد استفاده در جریان فرایند انتقال حرارت اهمیت و لزوم محاسبه دقیق میزان انرژی گرمایی مبادله شده نمایان می گردد. بررسی جریان های عبوری از داخل کانال ها یکی از موارد مهم و پرکاربرد 

انتقال حرارت می باشد. در این میان کانال های عمودی به دلیل تاثیرات نیروی شناوری بیشتر مورد توجه می باشند. جریان عبوری از این کانال ها در اغلب موارد گاز می باشد. البته بسته به کاربرد کانال جریان های دو فازی گاز – جامد و گاز – مایع نیز ممکن است به وجود آیند. مبدل های حرارتی، تاسیسات خنک سازی راکتورهای هسته ای، تجهیزات مربوط به فرایندهای شیمیایی و جمع کننده های انرژی در نیروگاه های خورشیدی از جمله مواردی هستند که کانال های عمودی در آنها مورد استفاده قرار می گیرند. همچنین به منظور خنک سازی سیستم های الکترونیکی مانند ترانزیستورها، کامپیوترها و ترانسفورماتورها از کانالی های عمودی استفاده می شود. بدین منظور قطعات و مدارهای الکترونیکی را بر روی صفحات مخصوص نصب نموده و سپس صفحات را به صورت عمودی در کنار هم قرار می دهند. با توجه به حساسیت قطعات و نیز گرمای تولید شده توسط آنها از بین صفحات سیال خنک عبور می دهند.

کانال های قائم در محیط های متخلخل نیز به کار می روند که به عنوان مثال می توان به کاربرد آنها در علوم هیدرولوژی، مسائل مربوط به مدلسازی مخازن سوخت، فرایندهای تولید فلزات و مخازن جمع آوری زباله های هسته ای اشاره نمود.
در حالت کلی در جریان بررسی انتقال حرارت برای جریان های عبوری از داخل کانال های عمودی چنانچه سهم تشعشع دیواره ها و یا سیال عامل در انتقال حرارت کلی ناچیز در نظر گرفته شود، انتقال حرارت تنها از جنبه جابجایی بررسی می گردد، اما در صورتی که اختلاف دمای سیال با دیواره قابل توجه باشد و دمای دیواره یا سیال نسبتا زیاد باشد صرفنظر کردن از تشعشع خطای بزرگی را در انتقال حرارت کلی به دنبال دارد و لذا برای این موارد انتقال حرارت ترکیبی جابجایی – تشعشع در نظر گرفته می شود.
با ارائه توضیحات فوق شناسایی مکانیزم تشعشع در گازها و تعیین شدت جریان تشعشعی از یک گاز به سطوح مجاور و بالعکس، از مباحث دارای اهمیت می باشد و لذا انتقال انرژی تشعشعی در محیط هایی که قابلیت صدور جذب و تفرق دارند در سالیان گذشته مورد توجه قرار گرفته است.
از طرف دیگر با توجه به رژیم جریان (جریان آرام یا مغشوش) جابجایی نیز امکان دارد به حالت های مختلف با توجه به رژیم جریان اتفاق بیافتد که مباحث مربوط به این مبحث به طور کامل در فصل آتی تشریح می گردد.
در ادامه تاریخچه مطالعات صورت گرفته توسط محققین و پژوهشگران مختلف در ارتباط با انتقال حرارت درون کانال های عمودی به طور اجمالی بیان می گردد.

با توجه به گسترش روزافزون تکنولوژی و نفوذ آن در عرصه صنعت، استفاده از روش ها و مواد گوناگون برای توجیح نیازهای صنعتی روزمره پیشرفت کرده است.
با توجه به نیازهای گوناگون در عرصه صنعت سازه های مختلف را می توان با توجه به این نیازها طراحی کرد که یکی از این سازه ها، سازه هایی هستند که از مواد FGM ساخته شده اند.
مواد FGM که مخفف (Functionally graded material) می باشد موادی هستند که خاصیت آنها در داخل ماده با توجه به موقعیت آنها قابل تغییر می باشد.
در حقیقت یک ترکیبی از بهترین خواص سرامیک ها و فلزات باعث ایجاد اینگونه مواد می شوند به طور کلی سفتی و قابلیت هدایت الکتریکی و همچنین قابلیت ماشینکاری فلزات از یک طرف و چگالی پایین و سختی و مقاومت بالا و همچنین مقاومت حرارتی سرامیک ها باعث شده است که این گونه مواد مورد اهمیت قرار گیرند.
اینگونه خواص نیازهای بخش های مختلف صنعتی را برآورده می کند به طور مثال در صنایعی نظیر اتومبیل سازی که در آن وزن کم و مقاومت بالا باعث افزایش راندمان سوخت و همچنین طول عمر بالا می گردد. یا در صنایع هوا و فضا و صنایع دفاعی اینگونه موارد کاربرد دارند.

به طور مثال پوسته موتور راکت می تواند به صورتی ساخته شود که داخل آن از یک ماده شکننده و خارج آن از یک فلز قوی و بین این دو 

ماده نیز ماده ای می باشد که خواص آن دارای یک شیب تدریجی و آهسته می باشد که همان بحث مواد FGM را مطرح می کند.

با تغییر درصد مقدار این مواد می توان به ماده ای که دارای خواص مورد نظر است رسید.
متغیر بودن خواص یک ماده باعث کاهش تنش های حرارتی و تنش های پسماند و ضریب متمرکز تنش می شود.
موجود نبودن هرکدام از مواد تشکیل دهنده FGM باعث ایجاد گسیختگی در جسم تحت بعضی از شرایط بارگذاری می شود که این بارگذاری ها می توانند استاتیکی، دینامیکی و حرارتی باشند. که این گسیختگی با شروع ترک ها در ناحیه بین دو ماده (INTERFACE) و گسترش آن به سمت قسمت ضعیف تر جسم ایجاد می شوند. با تغییر ضرایب (THERMAL EXPANSION) مواد تنش های حرارتی ایجاد می شوند.
در حقیقت تفاوت این گونه مواد با مواد کامپوزیت این است که هنگامی که نسبت حجمی در سراسر یک کامپوزیت 1 باشد آنگاه آن ماده FGM خواهد بود.
اگرچه تکنولوژی ساخت این مواد دوران شروع رشد خود را سپری می کند اما به دلیل مزایای استفاده از این مواد، تلاش های بسیار زیادی در جهت ساخت آنها صورت گرفته شده است.
با توجه به اینکه روز به روز استفاده از این مواد در صنایعی نظیر هوا و فضا، اتومبیل سازی و همچنین در صنعت داروسازی گسترش پیدا کرده است، روش های جدیدی برای طراحی و تحلیل ساختارهایی که از این گونه مواد ساخته شده اند توسعه یافته است.
اگرچه مواد FGM دارای خاصیت ناهمگنی زیادی هستند اما می توان تغییرات خواص آنها را در جسم به صورت بسیار آرام در نظر گرفت که این مسئله کمک به بدست آوردن حل تحلیلی و همچنین حل عددی می کند.
فصل اول: تاریخچه و بررسی مدل تغییرات خاصیت ماده FGM
1-1- تاریخچه
کارهای صورت گرفته شده در رابطه با مواد FGM را می توان از دو دید بررسی کرد یکی کارهای صورت گرفته شده در رابطه با تعیین نوع تابعی است که ثابت های ماده را مشخص می کند و دیگری کارهای صورت گرفته شده در رابطه با حل اینگونه مسائل تحت بارگذاری مشخص می باشد که با توجه به پروژه تعریف شده بیشتر به سراغ تاریخچه حل مسائل دینامیک می رویم. در رابطه با به دست آوردن یک دید کلی از این مواد اشاره کرد که این مراجع به بحث و بررسی در رابطه با پیدا کردن تابع مناسب پرداخته اند.
در حقیقت برای پیدا کردن این توابع محدودیت هایی وجود دارند که به طور مثال این توابع باید پیوسته و همچنین ساده و دارای قابلیت نشان دادن انحناء هم تقعر به سمت پایین و هم تقعر به سمت بالا را داشته باشد برای بررسی بهتر به [17] مراجعه شود.
در این پروژه به دو نوع از تغییرات اشاره شده است که این دو نوع تغییر تمام حالت های تحلیلی دیگر را پوشش می دهد.
قانون تابع نمائی که این بسیار معمول بوده و در بررسی مسائل شکست مواد FGM از این حدس استفاده می شود. و دیگری حدس به صورت تابع توانی (POWER LAW) می باشد که تمام خواص مطلوب را ارضاء می کند که در این پروژه خواص ماده با توجه به این حدس مورد تحلیل قرار می گیرد البته در مورد این دو حدس در قسمت فرمولاسیون توضیح داده خواهد شد.

تحقیقات گسترده با هدف ساخت یک ماده مصنوعی مقاوم در برابر دماهای بالا و شوک های حرارتی جهت استفاده در بدنه فضاپیماها و نیروگاه های هسته ای به شناخت FGM منجر گردیده است. پیش بینی می گردد با توجه به ویژگی های منحصر به فرد این ماده، کاربردهای صنعتی آن در سال های آتی توسعه یابد. مواد FGM از نظر زیر ساختاری ناهمگن بوده به طوری که خواص مکانیکی به طور ملایم و پیوسته از یک سطح تا سطح دیگر ماده تغییر می کند. نوع رایج این مواد سرامیک – فلز می باشد. در این حالت یک سطح از جسم سرامیک بوده و سطح مقابل فلز می باشد و خواص مکانیکی در ضخامت جسم از سرامیک به فلز در تغییر است.
ضمنا عبارت سیستم سازه هوشمند به انواع وسیعی از مواد فعال و سیستم های سازه ای غیرفعال نسبت داده می شود. به عنوان مثال، یک سیستم متشکل از یک کامپوزیت (تیر، ورق، پوسته و یا هر شکل بنیادی دیگری) با قطعه های پیزوالکتریک تعبیه شده یا چسبانده شده بر روی سطوح سازه و یا حتی لایه هایی از مواد فعال در یک سیستم چند لایه می باشد.
در توسعه سیستم های سازه های هوشمند، مواد پیزوالکتریک به عنوان حسگر و عملگر برای کنترل و نظارت خودکار پاسخ های سازه ای استفاده شده است. استفاده از سیستم های حسگر و عملگر پیزوالکتریک برای کنترل ارتعاشات به صورت یک ابزار مهم و مفید در طراحی سیستم ها و سازه های هوشمند درآمده است. حسگر پیزوالکتریک توانایی پاسخ به ارتعاشات و ایجاد ولتاژ با توجه به اثر مستقیم پیزوالکتریک را دارد. این ولتاژ پردازش شده توسط یک بهره کنترلی تقویت شده و سپس به عملگر اعمال می گردد. عملگر به نوبه خود با بهره گرفتن از اثر معکوس پیزوالکتریک نیروی کنترلی ایجاد می نماید و اگر نیروی کنترلی مناسب باشد، ارتعاش سازه به صورت مناسبی کنترل می شود.
در گذشته نه چندان دور، مطالعات بر روی سازه های هوشمند با حسگر و عملگر پیزوالکتریک اکثرا بر روی روش های تحلیلی تکیه داشته اند. این رهیافت ها را فقط می توان بر روی سازه های ساده مانند تیرها و صفحات با تکیه گاه ساده، به کار برده می شود و برای سازه های پیچیده قابل استفاده نبوده است. بنابراین احتیاج به تحلیل المان محدود بیش از پیش جلوه نموده است.

در این رساله سعی بر شده است که با بهره گرفتن از تئوری تغییر شکل مرتبه اول (FSDT) به تحلیل کنترل ارتعاشات صفحه FGM مجهز به لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک در محیط حرارتی پرداخته شود که معادلات حاکم براساس اصل همیلتون و روش المان محدود به دست آورده می شوند. برای تحلیل در حوزه زمان معادلات حرکت برای صفحات FGM از روش نیومارک استفاده می گردد و همچنین جهت کنترل ارتعاشات از یک کنترل تناسبی منفی سرعت در تعامل با لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک استفاده می شود.

فصل اول: کلیات
1-1- هدف
مواد FGM، مواد مرکب چند وظیفه ای هستند که به طور میکروسکوپی غیرهمگن بوده و خواص آنها به طور پیوسته و آرام از یک سطح (معمولا سرامیک) تا سطح دیگر (معمولا فلز) تغییر می نماید. بدین ترتیب مواد FGM خواص گوناگون جورنشدنی از جمله مقاومت در مقابل حرارت، سایش و اکسیداسیون سرامیکی را با چقرمگی، استحکام و قابلیت ماشین کاری فلزات درهم می آمیزند. این در حالیست که این مواد خطر تورق ناشی از عدم تطابق خواص مکانیکی در فصل مشترک مواد مرکب به ویژه در دماهای بالا را نیز مرتفع می سازند. لذا مواد FGM مزیت تاب آوردن در شرایط محیطی با دمای بالا ضمن نگهداشتن یکپارچه ساختاری خودشان را دارا هستند. در آستانه قرن 21، ورود به نسل جدید سیستم سازه ها و مواد هوشمندی که کوپلینگ مگنتو – الکترو – ترمو – مکانیکی، هوشمندی هدفمند، یکپارچگی و کوچک سازی را ترکیب می کنند پیش روست. کنترل، جداسازی و فرونشاندن ارتعاش، قابلیت های حسگری، مانیتورینگ و خوداصلاحی و نیز انجام اقدام اصلاحی شماری چند از بکارگیری تکنولوژیکی این مواد است. مواد پیزوالکتریک، مگنتو استریکتیو، آلیاژهای حافظه دار و سیالات الکترو رئولوژیکال در کناره سازه ها، سازه های هوشمند را خلق می نمایند. مواد پیزوالکتریک این توانایی را دارند که هنگام قرار گرفتن تحت یک کرنش مکانیکی، میدان الکتریکی تولید کنند و اگر پیزوالکتریک تحت میرایی الکتریکی قرار گیرند، در واقع تحت تنش قرار گرفته اند.
2-1- پیشینه تحقیق
در مورد کنترل ارتعاشات سازه هایی که از لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک استفاده شده است، تحقیقات بسیاری صورت گرفته است که برخی از این تحقیقات به شرح زیر می باشند.
Hwang و Park به ارائه فرمول بندی المان محدود برای کنترل ارتعاشات صفحات چندلایه با حسگر و عملگر پیزوالکتریک پرداختند. با بهره گرفتن از تئوری کلاسیک صفحات، معادلات حرکت توسط اصل همیلتون را به دست آوردند.
Lam و همکارانش مدل المان محدود را براساس تئوری کلاسیک صفحات برای کنترل فعال ارتعاشات صفحات مرکب که مجهز به لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک بودند، توسعه دادند.
Liu و همکارانش فرمول بندی المان محدود را برای مدل دینامیکی صفحات مرکب با لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک ارائه نمودند و همچنین براساس تئوری کلاسیک صفحات و اصل همیلتون این فرمول بندی صورت گرفته است. برای کنترل فعال ارتعاشات از یک کنترلر منفی سرعت استفاده شده است که با اثر مستقیم و معکوس پیزوالکتریک در یک حلقه بسته کوپل می باشد. Moita و همکارانش به بررسی مدل المان محدود برای کنترل فعال پوسته و صفحه مرکب تحت ارتعاشات اجباری براساس تئوری مرتبه بالا تغییر شکل، پرداخته اند.
بررسی کنترل ارتعاشات صفحات مرکب با لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک با فرمول بندی المان محدود براساس تئوری مرتبه اول تغییر شکل را Heidary و Eslami انجام دادند. ضمنا اثر محیط دمایی بر کنترل ارتعاشات صفحات مرکب نیز گزارش شده است.
حال در مورد بررسی ارتعاشات صفحات FGM که مجهز به لایه های پیزوالکتریک می باشند نیز اخیرا تحقیقاتی صورت گرتفه که به شرح برخی از آنها در زیر پرداخته می شود.
He و همکارانش فرمول بندی المان محدود براساس تئوری کلاسیک صفحات را برای کنترل ارتعاشات صفحات FGM مجهز به لایه های حسگر و عملگر پیزوالکتریک را ارائه کردند. خواص صفحات FGM به طور توابع مدرج در راستای ضخامت هستند که با توزیع کسر حجمی قانون توانی، متناسب می باشند. به بررسی رفتارهای استاتیکی و دینامیکی صفحات مذکور پرداخته شده است. همچنین فرکانس های طبیعی برای شرایط تکیه گاعی مختلف نیز گزارش گردیده است.
Shen و Huang به تحلیل غیرخطی ارتعاشات صفحات FGM با لایه های پیزوالکتریک چسبانده شده به سطح سازه در محیط حرارتی پرداخته اند. از تئوری مرتبه بالای تغییر شکل صفحات استفاده شده است. اثر تغییرات دما، ولتاژ کنترلی و تغییرات جزء حجمی مواد تشکیل دهنده FGM، بر روی ارتعاشات غیرخطی بیان گردیده است.

در منطقه عسلویه كه در مجاورت میدان گازی پارس جنوبی قرار دارد، واحدهای متعدد و وسیع پالایشگاهی احداث گردیده اند. در صنایع نفت و پتروشیمی به علت نیاز شدید این صنایع به برق، در مجاورت واحد صنعتی یک نیروگاه احداث می گردد تا مستقل از شبكه به تولید برق مطمئن وپایدار بپردازد. در واحدهای پالایشگاهی به علت سهولت نصب و راه اندازی و بهره برداری از نیروگاه های گازی استفاده می شود به گونه ای كه این امر در منطقه عسلویه كاملا مشهود است.لذا دراین پروژه با توجه به تعدد نیرگاه های گازی در منطقه عسلویه، این منطقه به عنوان مبنای تحقیق در نظر گرفته شده است.
در نیروگاه گازی، اكثر گاز ورودی به توربین كه مولد قدرت است هوای محیط است. لذا باید ابتدا تاثیر مشخصات هوای محیط بر كارایی توربین گاز مشخص شود. سپس با توجه به چگونگی تاثیر مشخصات هوای محیط و سایر موارد بر كارایی نیرو گاه گازی، به بررسی روش های افزایش توان وبازدهی نیروگاه پرداخته شود.
فصل اول: کلیات
1-1) هدف

اكثر نیروگاه هایی كه در كشور احداث شده اند یا در حال احداث می باشند، نیروگاه گازی می باشند. از معایب نیروگاه گازی ساده، 

وابستگی آن به شرایط محیطی و اتلاف حرارت بس یار زیاد ناشی از دمای بالای گازهای خروجی از توربین را می توان نامبرد. در این پروژه با توجه به تعدد نیروگاه های گازی در منطقه عسلویه این منطقه جهت تحقیق انتخاب شده است.

در این پروژه هدف بر این است كه بدون تداخل با اجزاء سیكل اصلی نیرو گاه های گازی در كشورمان (توربین، كمپرسور و محفظه احتراق) روش هایی جهت بهینه سازی نیروگاه ارائه شود تا بتوان با ساختار موجود توان و بازدهی نیروگاه گازی را افزایش داد.
2-1) پیشینه تحقیق
روش های مختلفی جهت بهینه سازی نیروگاه های و بالابردن كارایی آن در كتب و مقالات علمی مختلف ارائه شده است. در بخش مراجع به بخشی از این كتب و مقالات اشاره شده است. اهم این روشها شامل:
خنك كردن هوای ورودی به كمپرسور، دو مرحله ای كردن كمپرسور و استفاده از خنك كن هوا بین كمپرسورها، افزایش دبی جرمی گاز ورودی به توربین بوسیله تز ریق هوای فشرده، آب یا بخار با فشار مناسب به محفظه احتراق، گرم كردن گاز بوسیله گاز خروجی از توربین قبل از ورود به محفظه احتراق و تولید بخار توسط بویلر بازیافت حرارت كه در مسیر گازهای خروجی از توربین نصب شده می باشند. برخی از این روشها در عمل به علت پیچیده كردن سیكل نیروگاه به ندرت استفاده شده اند.
3-1) روش كار و تحقیق
فرایند صورت گرفته در انجام این پروژه به شرح ذیل می باشد:
– جست و جوی كتابها و مقالات علمی معتبر.
– انتخاب روش هایی جهت بالابردن كارایی نیروگاه بطوریكه این روشها قابلیت اجرایی داشته و حداقل تداخل با سیكل نیروگاه های موجود كشور را داشته باشند.
– انجام محاسبات نیروگاه ساده گازی و شناخت عوامل مؤثر در كارایی آن.
– نوشتن كد كامپیوتری برای محاسباتی كه دارای حل تحلیلی نمی باشند.
– اعمال روش های اصلاحی به نیروگاه گازی ساده و محاسبات مربوطه.
– بحث و نتیجه گیری.

خطوط لوله انتقال گاز عموما، دارای طول زیادی هستند. و افت فشار و به حداقل رساندن آن یكی مسائل مهم در طراحی خطوط انتقال گاز می باشند. عموما خطوط گاز در ابتدای خط لوله دارای درجه حرارت یكسانی با محیط نمی باشند، به خصوص در ایستگاه های تقویت فشار گاز كه در كمپرسور دمای گاز بالا می رود، لكن با انتقال گاز، دمای گاز به دمای محیط نزدیک می شود.بنابراین انتقال حرارت وجود خواهد داشت و باید اثر آن بر افت فشار جریان گاز مشخص شود.
افت فشار در خطوط انتقال یک عامل ناخواسته می باشد وباعث پائین آمدن بازدهی كلی انتقال گاز می شود. یكی از روش های موجود جهت به حداقل رساندن افت فشار استفاده از خنك كننده جهت رساندن دمای گاز به دمای محیط در ایستگاه های تقویت فشار گاز می باشد.

در امكان سنجی اولیه احداث خطوط لوله گاز باید با در نظر گرفتن اختلاف حرارت دمای محیط با جریان گاز و انتقال حرارت ناشی از آن این عامل در طراحی به گونه ای در نظر گرفته شود كه در كاهش افت فشار نقش داشته باشد.

فصل اول: جریان گاز در خطوط لوله با گرمایش یا سرمایش
1-1) ملاحظات مقدماتی
جریان تراكم پذیر به جریانی اطلاق می گردد كه درآن تغییرات جرم حجمی در جریان بوقوع می پیوندد. این تغییرات در بسیاری موارد ناشی از تغییر فشار در خط لوله می باشد. از آنجایی كه تغییر چگالی معمولا با تغییر دما و همچنین انتقال گرما همراه است به استفاده از ترمودینامیك، به خصوص قانون دوم ترمودینامیک نیازمند خواهیم بود.
جریان تراكم پذیر به شاخه های معمولی كه سیالات تراكم ناپذیر مورد استفاده قرار می گیرند تقسیم می شود كه عبارتند از:
– جریان یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی
– جریان پایا و نا پایا
– جریانهای چرخشی و بی چرخشی
علاوه بر این شاخه های مفید آشنا برای جریان تراكم پذیر رده بنده هایی اضافی زیر نیز وجود دارد: جریان تراكم پذیر فروصوتی ،جریان ترا صوتی،جریان فرا صوتی و جریان فوق صوتی.
لكن در مورد سیالات تراكم پذیر كه در آن سرعت حركت سیال تا سه دهم سرعت صوت باشد جریان را تراكم ناپذیر در نظر می گیریم. لذا در خطوط انتقال گاز به علت عدد ماخ بسیار پایین آن می توان جریان گاز را تراكم ناپذیر در نظر گرفت.