فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
سال هشتم شماره 3 (پیاپی 28، پاییز 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/06/10
  • تعداد عناوین: 6
|
  • ایمان جلوداری*، محمدامین اسماعیلی سیکارودی صفحات 1-12

    در این مقاله به مطالعه تاثیر اعمال میدان مغناطیسی در تمامی راستاها بر عملکرد انتقال حرارت حفره حاوی نانوسیال پرداخته شد. نانوسیال مغناطیسی مورد بررسی در این تحقیق آب شور- اکسید آلومینیم می باشد. هندسه مورد مطالعه حفره ای ربع دایره شکل است که دیوار سمت چپ سطح سرد، دیوار سمت پایین سطح گرم و باقی سطوح عایق در نظر گرفته شده اند. همچنین فرض شده است که کلیه سطوح ثابت میباشند. معادلات حاکم به روش عددی و براساس حجم کنترل و الگوریتم سیمپل حل شده است. مطالعه مورد نظر در غلظت های 0 تا 04 /0 درصد نانوذرات و عدد هارتمن 0 تا 9 در عدد رایلی 105 صورت گرفته است. نتایج نشان می دهد افزایش در غلظت نانوذرات و قدرت میدان مغناطیسی سبب افزایش اثر کاهنده ناشی از نیروی لورنز می گردد، به طوری که در غلظت صفر نانوذرات افزایش در قدرت میدان مغناطیسی تاثیری ناچیز بر عملکرد حرارتی حفره حاوی نانوسیال دارد و با افزایش غلظت نانوذرات ضریب هدایت الکتریکی نانوسیال افزایش می یابد و اثرات کاهنده ناشی از میدان مغناطیسی به طور چشمگیری افزایش می یابد. همچنین افزایش 2 درصدی در غلظت نانوذرات در عدد هارتمن 5/4، بیش از 45 درصد کاهش در میزان انتقال حرارت را به همراه دارد و این میزان کاهش در غلظت 4 درصد نانوذرات و هارتمن 9 به بیش از 65 درصد می رسد.

    کلیدواژگان: نانوسیال مغناطیسی، حفره ربع دایره، جابجایی آزاد، حل سه بعدی، نیروی لورنز
  • علی برومند، احسان الله عصاره* صفحات 13-29

    جایگزینی انرژی های تجدیدپذیر و پاک به جای انرژی حاصل از سوخت های فسیلی در عصر حاضر یک امر دهد حیاتی است و سیستم های انرژی کارآمدتر و استفاده موثرتر از منابع تجدیدپذیر، برای پایداری سیستم های انرژی در آینده مورد نیاز است. در سیستم های تولید چندگانه انرژی، انتخاب مناسب منابع تامین کننده انرژی یکی از مهم ترین موارد است. انرژی خورشیدی که با توجه به پتانسیل محل اجرای که محل اجرای این پروژه استان خوزستان است، منبع مناسبی جهت تامین انرژی لازم برای سیستم مورد مطالعه در این پایان نامه تعیین شد. در پژوهش حاضر به بررسی یک سیستم تجدیدپذیر و استفاده از انرژی های خورشیدی با شرایط مناسب و نزدیک به منطقی با پتانسیل بالای خورشیدی، اقدام کردیم. اجزا اصلی سیستم متشکل از سیستم برج خورشیدی، منبع ذخیره کننده گرما، سیکل برایتون، سیکل رانکین بخار، آب شیرین کن ROو سیکل تبرید جذبی تک اثره تشکیل شده است. خروجی های اصلی این سیستم شامل آب شیرین، برق تولیدی و سرمایش است. این سیستم ها یک سیستم رسیور است که گرما به آینه ها منتقل شده و هوای گرم به توربین داده می شود و سپس فرآیند تولید برق انجام می شود. آب شیرین از طریق آب شیرین کن RO و چیلر جذبی سرمایش تولید می کند. در این سیستم یک سیکل برایتون وجود دارد که به جای محفظه ی احتراق  از یک سیستم خورشیدی استفاده شده است که این ایده یک نوآوری محسوب می شود. برای مدلسازی سیستم و به دست آوردن نتایج ترمودینامیکی از نرم افزار EES به عنوان یک ابزار مهندسی بهره برده شده است. از مهم ترین پارامترهای تاثیر گذار و کاربردی در این بررسی ها، باید به شدت تابش خورشیدی (DNI)، تعداد هلیوستات (N_hel)، فشار ورودی توربین (P8) و نسبت فشار کمپرسور (r_p) اشاره کرد.

    کلیدواژگان: انرژی خورشیدی، سیستم تولید چندگانه انرژی، بهینه سازی چندهدفه، اگزرژی، نرخ هزینه
  • الهام امینی، سید محسن پیغمبرزاده*، سروش زرین آبادی، سید حسن هاشم آبادی صفحات 30-46

    در این پژوهش، شبیه سازی سه بعدی پایای کویل حاوی روغن داغ در بخش تشعشع یک کوره استوانه ای عمودی در یک واحد صنعتی انجام شده است. این کویل دارای نه خم U شکل با زاویه 180 درجه می باشد. با بهره گیری از منطق دینامیک سیالات محاسباتی، سرعت و فشار جریان، دمای خروجی سیال و دمای دیواره کویل در نقاط مختلف سیستم محاسبه شده است. برای اعتبار سنجی مدل، از مقایسه نتایج شبیه سازی دمای دیواره کویل در انتهای مسیر حرکت سیال و دمای سیال در خروجی با مقادیر صنعتی استفاده شده است. دمای دیواره و دمای سیال محاسباتی در خروجی کویل با مقادیر واقعی آن ها به ترتیب حدود 6 درصد و 44/0 درصد اختلاف نشان داد. وجود خم ها در کویل باعث نوسان در پارامترها در طول کویل می شود. نیروی گریز از مرکز ناشی از هندسه خمیده کویل سبب تغییر توزیع فشار شده و تغییر فشار، موجب نوسان سرعت سیال، دمای سیال و دمای دیواره می شود نتایج نشان می دهد که وجود خم می تواند موجب نوسان فشار در حدود 4952 پاسکال، تغییر سرعت سیال تا حداکثر  83/2 متر بر ثانیه، تغییر دمای سیال در حدود 2 کلوین و اختلاف دمای دیواره در حدود 10 کلوین شود.

    کلیدواژگان: شبیه سازی، کویل کوره روغن داغ، دینامیک سیالات محاسباتی، خم 180 درجه
  • فخرالدین جویجری، عباس کوثری نیا*، مهدی مهرپویا، نادر نبهانی صفحات 47-64

    در این مطالعه میزان مصرف انرژی کارخانه گاز و گاز مایع 800 با استفاده دو روش آنالیز پینچ اصلاحی و طراحی از پایه بر مبنای تجربیات انجام می گیرد. مصرف انرژی در صنایعی همچون پالایشگاه های نفت و گاز و کارخانه های گاز و گاز مایع نرخ بسیار بالایی دارد. روش تجزیه و تحلیل پینچ به عنوان یک روش کاملا اثبات شده و موفق برای بهبود بهره وری انرژی این کارخانجات استفاده می شود. در این مطالعه، میزان مصرف انرژی کارخانه گاز و گاز مایع 800، از شرکت ملی نفت جنوب ایران واقع در شهر اهواز، با استفاده از روش های تحلیل پینچ مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می دهند که کارخانه به مقدار زیادی بار خارجی نیاز دارد. در این راستا، بررسی های اصلاحی نشان می دهد، که کلیه قوانین اصلی پینچ در شبکه حرارتی رعایت شده اند و هیچ گونه نیازی به اصلاح شبکه وجود ندارد. اما مقدار بالای ΔTmin کارخانه، نشان دهنده پتانسیل قابل توجه کارخانه برای کاهش مصرف انرژی با استفاده از روش طراحی از پایه بر مبنای تجربیات است. نتایج نشان می دهد که با بهینه سازی به روش طراحی از پایه می توان به میزان % 19 از مصرف انرژی کارخانه صرفه جویی نمود.

    کلیدواژگان: ان.جی.ال، تحلیل پینچ، روش اصلاحی، روش طراحی از پایه
  • عبدالکریم افروزه* صفحات 65-76

    ذخیره وتبدیل انرژی یک پیوند بسیار مهم بین مراحل انرژی است. تولید و مصرف انرژی سوخت های فسیلی سنتی یک انرژی طبیعی و ناپایدار است. محیط ذخیره سازی با ذخایر محدود و مشکلات آلودگی باعث  خواستارگزینه ای برای ذخیره و استفاده از انرژی های تجدیدپذیر سبز و آینده خواهد شد. انرژی و زیست محیطی مشکلات به روشی تمیز و کارآمد برای استفاده از سوختها نیاز دارد. توابع سلول سوختی برای تبدیل کارآمد انرژی اکسیدان و شیمیایی مستقر در سوخت مستقیم به الکتریکی، همراه با محصولات جانبی از گرما و آب پیل های سوختی ، که به عنوان مبدل های الکتروشیمیایی موثر و برق شناخته می شوند. فناوری تولید به دلیل نیاز به انرژی پاک ومحدودیت فسیل مورد توجه قرار گرفته است. منابع سوختی و توانایی پیل سوختی برای تولید برق بدون ایجاد هیچ گونه حرکتی قسمت مکانیکی و فن آوری های سلول سوختی که برای تجارت بسیار مورد توجه قرار گرفته اند، هستند. سلولهای سوختی غشای الکترولیت پلیمر (PEMFC) ، سلول سوختی اکسید جامد (SOFC) و متانول مستقیم سلولهای سوختی (DMFC) سلولهای سوختی مورد بحث در این مطالعه می باشد. بهره وری مطلوب برای سلول سوختی به اصل کارنو محدود نمی شود. چرخه در مقایسه با سایر ماشینهای قدرت سنتی که عموما مبتنی بر چرخه های حرارتی هستند به عنوان توربین های گازی ، توربین های بخار و موتورهای احتراق داخلی. با این حال ، پیل سوختی کاربرد های مناسبی دارد.

    کلیدواژگان: فناوری سلول سوختی، انرژی، سلول های سوختی غشای الکترولیت پلیمر (PEMFC)، جامد پیل های سوختی اکسید (SOFC)، پیل سوختی متانول مستقیم (DMFC)
  • سعید ناهیدی* صفحات 77-91

    در بین روش های مختلف انتقال حرارت، پدیده جوشش حبابی به عنوان یک روش با قابلیت انتقال حرارت بالا، همواره مورد توجه بسیاری از محققان بوده است. از طرف دیگر، پدیده همرفت طبیعی و پدیده جوشش در سیالات، دارای تاثیر متقابل بر همدیگر بوده و  منجر به تقویت و تضعیف یکدیگر در حالت های مختلف می شوند. بدین منظور در مطالعه عددی حاضر، یک محفظه بلند محتوی دو سیال غیر قابل امتزاج (آب، بخار و هوا) و با دیوار جانبی دارای  شار حرارت گرمایی یکنواخت به صورت سه بعدی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این مطالعه ابتدا بازه ی شار حرارتی که به ازای آن جوشش هسته ای اتفاق می افتد، پیش بینی شده است و سپس، تاثیر متقابل پدیده های جوشش و همرفت طبیعی بر روی همدیگر و تاثیر پارمترهای مختلف بر روی انتقال حرارت مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این مطالعه نشان می دهد که با افزایش عدد رایلی به موجب افزایش ارتفاع بی بعد سیال در محفظه بلند، امکان جدا شدن حباب های گازی ناشی از جوشش از سطح دیواره بهبود یافته و در نتیجه تغییر رژیم جوشش حبابی به جوشش فیلمی به تاخیر می افتد. ولی در ارتفاع بی بعد کمتر که دارای عدد رایلی پایین تری هستند، جریان ناشی از همرفت طبیعی توانایی لازم برای جدا کردن حباب ها از سطح را ندارد و حباب ها به جای جداشدن از سطح دیواره، بر روی آن می لغزند. همچنین گردابه های ناشی از همرفت طبیعی ابتدا در قسمت های پایین محفظه تشکیل می یابد و تدریجا این گردابه ها توسعه یافته و در قسمت های دیگر از محفظه دارای سیال، فعال می شود. در این مقاله به خوبی نشان داده شده است که تولید و جدا شدن حباب ها سبب آشفتگی در این جریان ها می شود.

    کلیدواژگان: جوشش هسته ای، همرفت طبیعی، دیواره عمودی، جریان دوفازی، محفظه بلند
|
  • Iman Jelodari*, Mohammadamin Esmaeilisikaroodi Pages 1-12

    This study investigated the effect of an omnidirectional magnetic field on the heat transfer performance of a saline water-Al2O3 magnetic nanofluid (MNF) cavity. The cavity was a quarter-circle with a cold left wall and a heated right wall, whereas other surfaces were insulated (adiabatic). All surfaces were assumed constant. The governing equations were solved numerically based on control volume and SIMPLE algorithm. The nanoparticle concentration ranged from 0 to 0.04 percent, the Hartmann number (Ha) was between 0 and 9, and the Rayleigh number (Ra) was 105. Findings indicated that increased nanoparticle concentration and magnetic field intensity enhance the reductive effect of the Lorentz force. Increasing the magnetic field intensity has an insignificant effect on the thermal performance of the fluid with zero nanoparticle concentration. As the nanoparticle concentration increases, the electrical conductivity of the fluid increases too which leads to a significant increase in the reductive effect of the magnetic field so that a 2% increase in nanoparticle concentration at Ha = 4.5 reduces heat transfer by more than 45%, whereas this reduction is higher than 65% at a nanoparticle concentration of 4% and Ha = 9.

    Keywords: Magnetic nanofluid, Quarter-circle cavity, Free convection, 3D solution, Lorentz force
  • Ali Boroomand, Ehsanollah Assareh * Pages 13-29

    Replacing clean and renewable energy with energy from fossil fuels is critical today, and more efficient energy systems and more efficient use of renewable resources are needed to sustain energy systems in the future. In multiple power generation systems, proper selection of energy supply sources is one of the most important issues. Solar energy, which according to the potential of the implementation site, which is the implementation site of this project in Khuzestan province, was determined as a suitable source to provide the necessary energy for the system studied in this dissertation. In the present study, we investigated a renewable system and the use of solar energy with suitable and close to reasonable conditions with high solar potential. The main components of the system consist of a solar tower system, a heat storage source, a Brighton cycle, a steam Rankin cycle, Reverse Osmosis and a single-effect absorption refrigeration cycle. The main outputs of this system include fresh water, generated electricity and cooling. These systems are a receiver system where heat is transferred to the mirrors and hot air is given to the turbine and then the power generation process is performed. Fresh water produces cooling absorption through RO desalination and chiller. In this system, there is a Brighton cycle that uses a solar system instead of a combustion chamber, which is an innovation. EES software has been used as an engineering tool to model the system and obtain thermodynamic results.The city of Ahvaz was analyzed by examining the potential of solar radiation as a case study. The most important effective and practical parameters in these studies are solar intensity (DNI), number of heliostat (N_hel), turbine inlet pressure (P8) and compressor pressure ratio (r_p).

    Keywords: Solar energy, Multiple energy production system, Multi-objective optimization, Exergy, Cost rate
  • Elham Amini, Mohsen Peyghambarzadeh*, Soroosh Zarinabadi, Hassan Hashemabadi Pages 30-46

    In this study, a three-dimensional steady state simulation of the coil containing hot oil in the radiation section of the vertical cylindrical furnace of an industrial unit was investigated. This coil has nine U-shaped bends with an angle of 180 degrees. Using computational fluid dynamics, flow velocity and pressure, fluid outlet temperature, and coil wall temperature in different parts of the system were calculated. To validate the model, comparison of the simulation results of the coil wall temperature at the end of the fluid path and the fluid temperature at the outlet with industrial values ​​has been performed. Comparison of the computed wall temperature and fluid temperature at the coil outlet with the industrial values showed deviations of about 6% and 0.44%, respectively. The presence of bends in the coil caused some fluctuations in the parameters along the coil. Centrifugal force due to the curved geometry of the coil changed the pressure distribution, and this pressure change caused the fluid velocity and temperature, and wall temperature to fluctuate, so that in the bend, the pressure fluctuated about 4952 Pa, fluid velocity changed up to 2.83 m/s, the fluid temperature varied to about 2 K, and the wall temperature difference was about 10 K.

    Keywords: Simulation, Hot oil furnace coil, Computational fluid dynamics, 180-degree bend
  • Fakhrodin Jovijari, Abbas Kosarinia*, Mehdi Mehrpuya, Nader Nabhani Pages 47-64

    In this study, the energy consumption of NGL plants was assessed using two methods of retrofit pinch analysis and grass-root design based on actual experiments. Energy consumption is increasing very rapidly, especially in high-energy consuming industries such as oil, gas, and Natural Gas liquid refineries. Pinch analysis as a well-established and successful technique is used to improve the energy efficiency of the above-mentioned plants. As a real case study, a natural gas liquids(NGL) plant 800, from National Iranian South Oil Company located in southwest of Iran was considered. According to retrofit analysis results, all of the main pinch rules are met in the current state, and there is no need for any correction in retrofit Pinch Analysis. In the following, considering the ΔTmin of similar plants, the high value of ΔTmin reflects the plantchr('39')s significant potential for reducing energy consumption by the grass-root method. The results of the grass-root method shows that 19% of the plantchr('39')s energy consumption can be saved.

    Keywords: NGL, Pinch analysis, Retrofit method, Grass-root method
  • Abdolkarim Afroozeh* Pages 65-76

    The use of limited reserves and pollution problems related to fossil fuels, the need for storage options as well as the use of renewable energy is felt. Solving environmental problems also requires a clean and efficient method. Today, fuel cells for energy efficient conversion, along with by-products of heat and water, known as efficient electrochemical converters and electricity, have been considered as a new production technology due to the need for clean energy and fossil constraints. . These include the ability of fuel cells to generate electricity without creating any mechanical movement, as well as their technologies, which have also received much attention in commerce. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC), Solid Oxide Fuel Cell (SOFC), Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC), Alkaline Fuel Cell (AFC) and Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Fuels are discussed in this study. Membranes and improved cell efficiency as well as durability and reliability allow us to use them in competition with traditional combustion engines. Also, the performance of fuel cells causes a significant reduction in costs. In this review, we will analyze recent developments in fuel cells and compare them.

    Keywords: Fuel cell technology, Energy, Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs), Solid Oxide Fuel Cells (SOFC), Direct methanol fuel cell (DMFC)
  • Saeed Nahidi* Pages 77-91

    Among the methods of heat transfer, the bubble boiling phenomenon as a method with high heat transfer coefficient is considered by many researchers. On the other hand, natural convection and nucleate boiling have interactions on each other which lead to strengthening and weakening each other in different situations. In the present numerical study, a three-dimensional tall cavity filled with incompatible fluids of water, vapor, and air with a uniform heat flux on the main wall has been investigated.  At first in this study, the range of the critical heat flux for nucleate boiling has been predicted and then, the interaction between the natural convection and nucleate boiling and the effective parameters on heat transfer have been studied.The results show that increase in the Raleigh number due to increase in the dimensionless height of fluid in the tall cavity  has improved the enhance of separation of gas bubbles due to boiling pheromone on the wall surface and as a result,  has delayed the film boiling regime.  However, in lower dimensionless heights of fluid in the cavity  (lower Rayleigh number), streams of fluid due to natural convection haven’t got enough strength to separate bubbles from the surface and bubbles slip on the surface instead of separating from it. In addition, vortexes of fluid caused by natural convection, first form in the down parts of the cavity and then they gradually develop and be active in other parts of the fluid. Also in this paper is well shown that the production and separation of the gas bubbles cause turbulence in the fluid flows.

    Keywords: Nucleate Boiling, vertical Surface, Natural Convection, Two Phase Flow, Tall Cavity