فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
سال نهم شماره 5 (پیاپی 34، زمستان 1401)

  • ویژه نامه زمستان
  • تاریخ انتشار: 1401/12/10
  • تعداد عناوین: 6
|
  • سجاد کیخواه، احسان الله عصاره* صفحات 1-17

    امروزه بحث افزایش راندمان و بهبود مصرف انرژی در صنایع بیش از پیش مورد توجه محققان قرار گرفته است. به همین دلیل در این پژوهش یه آنالیز عددی انتقال حرارت و جریان سیال درون یک لوله حاوی محیط متخلخل و استفاده از نانوسیال پرداخته شد. استفاده همزمان از ساختار متخلخل و نانوسیال به عنوان سیال از نوآوری های این پژوهش محسوب می شود که باعث افزایش چشم گیر انتقال حرارت در لوله می شود. مدلسازی به صورت دو بعدی و با فرض جریان آرام، به صورت دما ثابت و با حضور نانوسیال آب-نقره جهت بهبود انتقال حرارت انجام شد. هدف اصلی این پژوهش رسیدن به حداقل ضریب اصطکاک و حداکثر عدد ناسلت به طور همزمان به عنوان دو هدف متضاد برای کاهش مقاومت جریان در لوله و افزایش انتقال حرارت در نظر گرفته شد. پروفیل های سرعت؛ فشار و دمای لوله ی دو بعدی در کسر حجمی، ضریب تخلخل و اعداد دارسی متفاوتی به دست آمد. سپس به بررسی عدد ناسلت و ضریب اصطکاک پرداخته شد. نتایج این بررسی نشان داد که با کاهش عدد دارسی، مقدار عدد ناسلت افزایش می یابد. همچنین مقدار ضریب اصطکاک نیز حدودی افزایش داشته است. علت افزایش انتقال حرارت را می توان مربوط به افزایش اندرکنش بین نانوسیال و ماده متخلخل دانست. در واقع اعداد دارسی بزرگ تر دارای میزان بازیابی انرژی کمتری در مقایسه با هدر رفت انرژی هستند. علت دیگر افزایش عدد ناسلت را می توان کاهش دما نیز دانست. علت افزایش ضریب اصطکاک را نیز می توان مربوط به افزایش سرعت، فشار و عدد رینولدز در طول لوله دانست.

    کلیدواژگان: لوله حرارتی، محیط متخلخل، نانوسیال، عدد ناسلت، ضریب اصطکاک
  • سامان شیخ مقدس، شهرام اعتمادی حقیقی*، مرتضی خیاط صفحات 19-36

    با توجه به اهمیت خطوط لوله به عنوان شاهرگ های حیاتی تامین سوخت و انرژی در جهان، حفظ و پایداری و تداوم انتقال و تامین خوراک پالایشگاه ها و تامین سوخت صنایع مختلف بسیار مهم و ضروری می باشد. تحقیق حاضر به منظور تحلیل عملکرد پیگ و بررسی فاکتور های موثر بر عملیات پیگ رانی در خطوط لوله انتقال مواد نفتی صورت گرفته است. در این تحقیق با انجام آزمایشات در شرایط واقعی و عملیاتی، نتایج حاصل از پیگ رانی درخطوط لوله انتقال فرآورده در قطرها و طول های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است، به طوری که تاثیر رسوب گرفتگی دیواره داخلی خط لوله بر میزان دبی جریان، قدرت مورد نیاز پمپ در تلمبه خانه و افت فشار در فرآورده های مختلف با شرایط فیزیکی متفاوت و همچنین محاسبه و بررسی سرعت پیگ رانی در هر عملیات و تاثیر وزن پیگ بر سرعت پیگ رانی  و قدرت مورد نیاز در تلمبه خانه ها ارایه گردیده است. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می دهند انجام عملیات پیگ رانی در یک خط لوله 14 اینچی انتقال نفت به طول 109 کیلومتر با دبی 360 مترمکعب بر ساعت معادل 54330 بشکه در شبانه روز که دارای 4/0 سانتی متر رسوب گرفتگی است، سبب جلوگیری از کاهش دبی جریان به میزان 23 مترمکعب بر ساعت معادل 3460 بشکه در شبانه روز، افزایش قدرت مورد نیاز پمپ در تلمبه خانه به میزان 79/35 کیلووات و افزایش افت فشار تا 9/8 درصد، خواهد شد. همچنین با بررسی تاثیر شیب خط لوله بر فشار پشت پیگ با علم به عدم تغییر قدرت پمپ در تلمبه خانه و سرعت یکسان پیگ در طول مسیر، مشخص می گردد افزایش ارتفاع خط لوله باعت تبدیل هد فشار استاتیکی به هد ارتفاع شده و در صورت ورود پیگ به مناطق دارای سراشیبی، سبب تبدیل هد ارتفاع به فشار پشت پیگ خواهد شد.

    کلیدواژگان: پیگ، افت فشار، خطوط لوله، دبی جریان، رسوب گرفتگی
  • بهروز راعی*، افسانه احمدی بهبهانی صفحات 37-52

    تعیین دقیق خواص ترموفیزیکی نانوسیال و پارامترهای موثر بر آنها از اهمیت ویژه ای در صنعتی کردن نانوسیال برخوردار است. یکی از مهمترین پارامترهای موثر بر خواصی مانند ویسکوزیته و ضریب هدایت حرارتی،  pH نانوسیال می باشد. در این تحقیق سطوح pH  سه نانوسیال اکسید فلزی شامل اکسید آلومینیوم، اکسید منیزیم و اکسید روی در محدوده دمایی بین 303 تا 333 کلوین و محدوده غلظتی بین 01/0 تا 1  درصد حجمی  اندازه گیری شدند. جهت حصول دقت بیشتر، اندازه گیری های  pH برای هر نمونه دو بار انجام و مقدار میانگین جهت مقدار pH نهایی ثبت گردید. نتایج نشان داد که با افزایش دما در حدود 10 درصد، مقادیر pH نانوسیالات اکسید آلومینیوم، اکسید منیزیم و اکسید روی به ترتیب به میزان37 ،11 و 9 درصد کاهش یافت. همچنین افزودن نانوذره اکسید آلومینیوم به آب مقطر خاصیت اسیدی ولی افزودن نانوذرات اکسید منیزیم و اکسید روی به آب مقطر خاصیت بازی به سوسپانسیون داده است. در انتها با استفاده از نتایج تجربی بدست آمده برای سه نانوسیال اکسید فلزی، معادله ای برای پیش بینی pHبه عنوان تابعی از غلظت و دما پیشنهاد گردید.

    کلیدواژگان: نانوسیال، پایداری، اکسید فلزی، غلظت
  • یگانه سادات تهامی، پریسا جعفری، متینه ناصری فیجانی، اشکان عبدالی سوسن* صفحات 53-67

    یکی از معضلات اصلی امروزه بشر، استفاده از سوخت های فسیلی است. برای رفع این معضل و نگرانی از بحران انرژی در اثر کمبود این منابع، می توان انرژی های تجدیدپذیر را جایگزین نمود. یکی از بزرگترین منابع انرژی های پاک، انرژی خورشیدی است که از آن می توان در نیروگاه های حرارتی خورشیدی استفاده کرد. در این مطالعه ، از نانوسیال اکسید آلومینیوم با آب در نیروگاه ترکیبی حرارتی خورشیدی سهموی خطی با سیکل رانکین استفاده شده است و میزان راندمان انرژی و اگزرژی این نیروگاه توسط نانوسیال استفاده شده و مخزن ذخیره سازی مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین این نیروگاه، دارای مخزن ذخیره ساز انرژی با نمک مذاب است تا بتوان میزان انرژی مورد نیاز شب، در نبود تابش خورشید را تامین کرد. معادلات تحلیل انرژی و اگزرژی این نیروگاه به کمک نرم افزار EES انجام شده است. نتیجه این تحلیل، راندمان اگزرژی سیستم خورشیدی 27/16 درصد و میزان راندمان انرژی، 72/59 درصد بدست آمده است.

    کلیدواژگان: نانو سیال اکسید آلومینیوم، آب، کلکتور سهموی خطی، مخزن حرارتی نمک مذاب، لوله جاذب، تحلیل اگزرژی
  • میثم پویانیان، اشکان غفوری* صفحات 69-84

    تاثیر استفاده از پره های زاویه دار در یک مبدل حرارتی دایره ای شکل با استفاده از انواع مختلف نانوسیال، به صورت عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. معادلات پیوستگی، مومنتوم و انرژی با استفاده از روش حجم محدود حل شده است. دیواره لوله با شرایط مرزی شار حرارتی یکنواخت حرارت داده می شود. در این مطالعه از دو چیدمان مختلف جهت قراردادن پره زاویه دار (رو به جلو و رو به عقب) و عدد رینولدز در محدوده 10000 تا 30000 استفاده شده است. اثرات مختلف زوایای شیب و گام های آشفته ساز آجدار برای سه نوع نانوذره مختلف Al2O3 ،CuO  و  ZnO با کسرهای حجمی مختلف در بازه 1 تا 4 درصد و قطرهای مختلف نانوذره در محدوده 20 تا 50 نانومتر که در یک سیال پایه (آب) مخلوط شده اند، استفاده شده است. نتایج حل عددی نشان می دهد که چیدمان آشفته ساز آجدار رو به جلو با تعداد 4 پره و تحت زاویه شیب 90 درجه می تواند انتقال حرارت را تقریبا با 77 درصد در پایین ترین زاویه شیب (10 درجه) و  بیشترین گام (50 میلیمتر) بهبود بخشد. حداکثر ضریب اصطکاک، حدودا 7/5 برابر لوله صاف است و مقدار معیار ارزیابی عملکرد در بازه 34/1 تا 57/1 قرار دارد. همچنین مشخص گردیده است که نانوسیال Al2O3 بیشترین مقدار عدد ناسلت را دارا می باشد و پس از آن ZnO و CuO قرار دارند در حالیکه آب خالص کمترین عدد ناسلت را دارد. همچنین عدد ناسلت با کاهش قطر نانوذره و افزایش کسر حجمی نانوذرات افزایش می یابد، در حالیکه در قطرهای مختلف نانو ذرات Al2O3، ضریب اصطکاک تاثیر چندانی نمی گذارد.

    کلیدواژگان: آشفته ساز، نانوسیال، عدد ناسلت، ضریب اصطکاک، ضریب هدایت حرارتی
  • پدرام احدی، فربد فخرآبادی*، علیرضا پورشقاقی، فرشاد کوثری صفحات 85-104

    توسعه کاربرد انرژی خورشیدی در کشور و مخصوصا توسعه احداث نیروگاه های خورشیدی بدون پتانسیلسنجی تابش خورشیدی و شناسایی دقیق مناطق با تابش مناسب و استخراج داده های معتبری که بتواند میزان و توزیع این انرژی را تعیین کند، امکانپذیر نمیباشد. در این مقاله طراحی بهینه و امکانسنجی احداث نیروگاه 200 کیلوواتی شهر سنندج با در نظر گرفتن مطالعات اقتصادی آن مورد مطالعه قرار گرفته شده است. در این پژوهش، محاسبه میزان انرژی خورشیدی دریافتی و طراحی بهینه نیروگاه از نرم افزار PVsyst و برای محاسبات امکانسنجی اقتصادی آن از نرم افزار Retscreen استفاده شده است. بدین منظور با توجه به موقعیت جغرافیایی محل احداث نیروگاه در شهر سنندج، چیدمان آرایه های فتوولتاییک جهت جلوگیری از سایهافکنی پنل ها و اشغال کمترین مساحت ممکن طراحی و بهینهسازی شده است که این امر موجب کاهش هزینه های سیستم و افزایش بهره وری نیروگاه از پتانسیل خورشیدی موجود میگردد. در ادامه، منحنی خروجی شامل میزان تولید انرژی سالیانه، تلفات و سایه افکنی استخراج و تحلیل شده و به عنوان یکی از ورودیهای امکان سنجی اقتصادی استفاده میشود. نتایج نشان میدهد با توجه به ظرفیت بالای تولید انرژی در منطقه مورد مطالعه، از نظر اقتصادی نیز نرخ بازگشت سرمایه در حد مطلوبی قرار دارد.

    کلیدواژگان: نیروگاه خورشیدی فوتوولتاییک متصل به شبکه، طراحی بهینه، امکانسنجی اقتصادی، PVsyst، Retscreen
|
  • Sajjad Keykhah, Ehsanollah Assareh* Pages 1-17

    Nowadays, the issue of increasing efficiency and improving energy consumption in industry has become more and more important to researchers. For this reason, in this study, a numerical analysis of heat transfer and fluid flow inside a tube containing a porous medium and the use of nanofluids were performed. Simultaneous use of porous structure and nanofluid as a fluid is one of the innovations of this research that significantly increases heat transfer in the pipe. The modeling was performed in two dimensions with the assumption of slow flow, at a constant temperature and with the presence of water-silver nanofluid to improve heat transfer. The main purpose of this study was to achieve the minimum coefficient of friction and the maximum Nusselt number at the same time as two opposing objectives to reduce the flow resistance in the pipe and increase heat transfer. Speed ​​profiles; Two-dimensional tube pressure and temperature were obtained in volume fraction, porosity coefficient and different Darcy numbers. Then the Nusselt number and the coefficient of friction were investigated. The results of this study showed that by decreasing the Darcy number, the value of the Nusselt number increases. Also, the amount of coefficient of friction has increased somewhat. The reason for the increase in heat transfer can be related to the increased interaction between the nanofluid and the porous material. In fact, larger Darcy numbers have lower energy recovery rates than wasted energy. Another reason for the increase in Nusselt number is the decrease in temperature. The reason for the increase in the coefficient of friction can also be related to the increase in speed, pressure and Reynolds number along the pipe.

    Keywords: Heat pipe, porous media, nanofluid, Nusselt number, coefficient of friction
  • Saman Sheikh Moghaddas, Shahram Etemadi Haghighi*, Morteza Khayat Pages 19-36

    Due to the importance of pipelines as vital arteries for fuel and energy supply in the world, maintenance, stability, continuity of transmission, supply of refinery feeds and fuel supply to various industries is very important and necessary. The present study was conducted to analyze the performance of pigs and to investigate the effect of factors affecting pigging operation in oil pipelines. In this research, by performing experiments in real and operational conditions, the results of pigging operation in product pipelines in different diameters and lengths have been investigated, so that the effect of fouling of the inner wall of the pipeline on the flow rate, pump required power in pump house and pressure drop in different products with different physical conditions as well as calculation and evaluation of pigging speed in each operation and the effect of pig weight on pigging speed and power required in pump houses are presented. The results of this study show that pigging in a 14-inch oil pipeline with a length of 109 km and a flow rate of 360 cubic meters per hour, equivalent to 54,330 barrels per day, which has 0.4 cm of fouling, prevents a reduction in volumetric flow rate of 23 cubic meters per hour, equivalent to 3460 barrels per day, increases the required power of the pump in the pump house by 35.79 kW and increases the pressure drop by 8.9%. Also, by examining the effect of pipeline slope on the pressure behind the pig, knowing that the pump power in the pump house does not change and the pig speed is the same along the route, it is determined that increasing the height of the pipeline causes the static pressure head converted to a height head, and if the pig enters downhill areas, it will cause the height head converted to pressure behind the pig.

    Keywords: Pig, Pressure drop, Pipelines, Volumetric flow rate, Fouling
  • Behrouz Raei*, Afsaneh Ahmadi Behbahani Pages 37-52

    Accurate determination of the thermophysical properties of nanofluids and the parameters affecting them are of particular importance in the industrialization of nanofluids. One of the most important parameters affecting properties such as viscosity and thermal conductivity is the pH of the nanofluid. In this research, the pH levels of three metal oxide nanoparticles including aluminum oxide (AL2O3), magnesium oxide (MgO) and zinc oxide (ZnO) dispersed in distilled water were measured in the temperature range between 303 K to 333 K and concentration range between 0.01 to 1% volumetric concentration. For more accuracy, pH measurements were performed twice for each sample and the mean value for the final pH was recorded. The results showed that with increasing the temperature by about 10%, the pH values ​​of aluminum oxide, magnesium oxide and zinc oxide nanofluids decreased by 37, 11 and 9%, respectively. Also, the addition of aluminum oxide nanoparticles has given acidic properties to distilled water, but the addition of magnesium oxide and zinc oxide nanoparticles to distilled water have given alkaline properties to the suspension. Finally, using the experimental results obtained for three metal oxide nanofluids, an equation for predicting pH as a function of concentration and temperature was proposed.

    Keywords: Nanofluid, Stability, Metal oxide, Concentration
  • Yeganeh Sadat Tahami, Parisa Jafari, Matineh Naseri Fijani, Ashkan Abdalisosan* Pages 53-67

    One of the main problems of human beings today is the use of fossil fuels. To solve this problem and worry about the energy crisis due to lack of these resources, renewable energy can be replaced. One of the largest sources of clean energy is solar energy, which can be used in solar thermal power plants. In this study, aluminum oxide nanofluid with water has been used in the linear parabolic solar thermal combined heat and power plant with Rankin cycle and the energy and exergy efficiency of this power plant has been used by the nanofluid and the storage tank has been investigated. The plant also has an energy storage tank with molten salt to provide the amount of energy needed at night in the absence of sunlight. The energy analysis and exergy equations of this power plant have been done with the help of EES software. The result of this analysis demonstrate that the exergy efficiency of the solar system is 16/27% and the energy efficiency is 59/72%.

    Keywords: Water-Aluminum oxide nanofluid, Linear parabolic collector, Molten salt heat tank, Absorber Tube, Exergy analysis
  • Maysam Kolahkaj, Ashkan Ghafouri* Pages 69-84

    In this experimental study, the effect of using a heat exchanger with louvered strip inserts louvered strip inserts on flow and heat transfer utilizing various types of nanofluids is studied numerically. The continuity, momentum and energy equations are solved by means of a finite volume method (FVM). The top and the bottom walls of the pipe are heated with a uniform heat flux boundary condition. Two different louvered strip insert arrangements (forward and backward) are used in this study with a Reynolds number range of 10,000, 15,000, 20,000, 25,000, 30,000. The effects of various louvered strip slant angles and pitches are also investigated. Three different types of nanoparticles, Al2O3, CuO and ZnO with different volume fractions in the range of 1% to 4% and different nanoparticle diameters in the range of 20 nm to 50 nm, dispersed in a base fluid (water) are used. The numerical results indicate that the forward louvered strip arrangement can promote the heat transfer by approximately 77 % at the lowest slant angle of α=10° and largest pitch of S=50 mm. The maximal skin friction coefficient of the enhanced tube is around 5.7 times than that of the smooth tube and the value of performance evaluation criterion (PEC) lies in the range of 1.34–1.57. It is found that Al2O3 nanofluid has the highest Nusselt number value, followed by ZnO, and CuO while pure water has the lowest Nusselt number. The results show that the Nusselt number increases with decreasing the nanoparticle diameter and it increases slightly with increasing the volume fraction of nanoparticles. The results reveal that there is a slight change in the skin friction coefficient when nanoparticle diameters of Al2O3 nanofluid are varied.

    Keywords: Turbulator, Nanofluid, Nusselt number, Friction Factor, Thermal conductivity coefficient
  • Pedram Ahadi, Farbod Fakhrabadi*, Alireza Poursh, Farshad Kowsary Pages 85-104

    It is impossible to develop the application of solar energy over the country and, particularly, to develop the establishment of solar power stations without solar radiation potentiometry, accurate identification of regions with appropriate radiation, or extraction of credible data that can specify the amount and distribution of this energy. This paper investigated the optimal design and feasibility of establishing a two-hundred-kilowatt power station in the city of Sanandaj, Iran considering the relevant economic examinations. In this paper, the PVsyst software was used for calculation of received solar energy and optimal design of the power station, and RETScreen was used for examination of the economic feasibility. For this purpose, the photovoltaic array layout was designed and optimized to prevent shadows cast by modules and occupy the smallest possible area given the geographic location of the site in Sanandaj where the power station was to be established. This would mitigate system costs and raise the productivity of the power station using the available solar potentials. Next, the output curve, involving annual energy production, loss, and cast shadow, were extracted, analyzed, and used as an input to the economic feasibility study. The results also demonstrated that the return of capital exhibited a favorable rate given the high capacity of energy production in the area under investigation.

    Keywords: Grid-Connected Photovoltaic Solar Power Plant, Optimal Design, Economic Feasibility Study, PVsyst, RETScreen