فهرست مطالب

نشریه مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
سال دهم شماره 2 (پیاپی 36، تابستان 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/11/23
  • تعداد عناوین: 6
|
  • مهری مشهدی، محبوبه واثقی*، ریحانه احمدی صفحات 1-12

    هدف از مطالعه حاضر ساخت سرامیک متخلخل Si3N4 از طریق ریخته گری ژل پودر Si و روش RBSN بود. اثرات pH محلول ژل و مقدار مواد کمک پخت مورد بررسی قرار گرفت. آکریل آمید و متیلن بیس اکریل آمید به عنوان محلول مونومر (نسبت 15 AM: 1 MBAM) استفاده شد. پودرهای Al2O3، Y2O3، و SiO2 (به عنوان کمک تف جوشی) و Si (به عنوان پودر اصلی) برای به دست آوردن دوغاب با بار جامد 60wt٪ اضافه شدند. عملیات حرارتی و فرآیند نیتریداسیون تا دمای 1350 درجه سانتیگراد و در اتمسفر N2 به مدت 22 ساعت انجام شد. نتایج آنالیز XRD نشان داد که فاز نهایی در تمامی نمونه ها فلزی Si و β-Si3N4 همراه با درصدهایی از کریستوبالیت بود. تجزیه و تحلیل اثرات pH بر روی فاز نهایی نمونه های ساخته شده از پودر Si (خالص و بدون مواد کمک پخت) نشان داد که تهیه محلول ژل در محیط اسیدی (pH: 2~3) در مقایسه با محیط قلیایی (pH: 11~12) منجر به افزایش شدت پیک β-Si3N4 و کاهش شدت پیک فاز Si فلزی شد و دوغاب تهیه شده در محیط اسیدی به طور موثرتری با اتمسفر N2 واکنش نشان داد. با توجه به تاثیر مواد کمک پخت بر تشکیل فاز نهایی، یافته ها حاکی از آن است که افزایش مقدار SiO2 و کاهش Al2O3 و Y2O3 منجر به تشکیل بیشتر β-Si3N4 (از 66٪ به 80٪) و کاهش در فلز Si (از 18٪ تا 7٪) شد. علاوه بر این، افزایش مقدار مواد کمک پخت و تشکیل فاز مایع بیشتر, فرآیند تشکیل β-Si3N4 را تسهیل کرد.

    کلیدواژگان: Si3N4 متخلخل، ریخته گری ژل، پ هاش(pH) سل، کمک پخت
  • علی معبودی روشتی، عبدالسلام ابراهیم پور*، جعفر رزم آرا صفحات 13-29

    مطالعات حوزه انرژی و محاسبه آن برای سالهای آتی در ساختمانها نشان میدهد که اثرات تغییرات اقلیمی خصوصا مسیله گرمایش جهانی نقش اساسی دارند.در این پژوهش برای دو شهر تبریز و اهواز با دو اقلیم متفاوت و یک ساختمان مشابه تحت سناریو A2 و دو دوره داده اقلیمی  استفاده شد.هدف ارزیابی تاثیر داده های جدید و قدیمی بر روی مصرف انرژی در سالهای آتی می باشد.بمنظور پیش بینی داده های اقلیمی نظیر دما، تابش، رطوبت و... از نرم افزار CCWorldWeathergen  و نیز برای مهیا کردن فایل 2TMY از نرم افزار TMY Creator   استفاده شد. برای شبیه سازی مصرف انرژی از نرم افزار انرژی پلاس استفاده شده است. نتایج نشان می دهد استفاده از داده های جدیدتر برآورد دقیق تری را نسبت به داده های قدیمی در اختیار قرار می دهد. باتوجه به افزایش دما در طول سالهای آتی به سبب گرمایش جهانی در دو شهر اهواز و تبریز انرژی مصرفی برای گرمایش و سرمایش کاهش خواهند داشت. برای این منظور با در نظر گرفتن فصول گرم و سرد در سالهای تحت پیش بینی (2020-2050-2080) این موضوع اثبات شده است برای شهر اهواز در طول سال 2080 نسبت به سال 2020 ، 24 درصد کاهش مصرف انرژی گرمایش و افزایش 5 درصدی در قسمت سرمایش خواهیم داشت. و برای شهر تبریز در طول سال 2080 دارای 19 درصد کاهش مصرف انرژی گرمایش و افزایش 7 درصدی در قسمت سرمایش خواهیم داشت.

    کلیدواژگان: پیش بینی، محاسبه مصرف انرژی، سرمایش، گرمایش، داده های آب و هوایی
  • حسن غفوری ورزنه*، مصطفی حیدری ورناخواستی صفحات 31-47

    کیفیت خشک کردن در خشک کن های خورشیدی به انتقال حرارت در داخل خشک کن و پارامترهای عملکردی مانند افت فشار و ضریب کارایی بستگی دارد. لذا هدف از این پژوهش بررسی اثر هندسه خشک کن، مولد گردابه جریان، شدت تابش و عدد رینولدز بر انتقال حرارت، افت فشار و ضریب کارایی خشک کن خورشیدی می باشد. برای این منظور سه هندسه مختلف شامل کانال با سطح کاملا صاف، کانال با سطح کنگره دار و کانال دارای آشفته گر جریان در نظر گرفته شد که هر سه تحت تابش شار حرارت خورشیدی مشخص و یکنواخت قرار داشتند. برای هر یک از حالت های فوق و برای اعداد رینولدز 3000، 4500، 6000 و 7500 و شدت تابش های خورشیدی 700، 800، 900، 1000 و 1100 وات بر متر مربع، مقدار عدد ناسلت متوسط، افت فشار در داخل کانال و فاکتور کارآیی محاسبه شد. نتایج نشان داد که استفاده از کانال داری مولد گردابه ای و سطح کنگره دار نسبت به کانال ساده، انتقال حرارت را افزایش می دهد. همچنین با افزایش عدد رینولدز، در عین حال که افت فشار افزایش می یابد، عدد ناسلت متوسط نیز افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: خشک کن خورشیدی، ضریب کارایی عملکرد، دینامیک سیالات محاسباتی، مولد گردابه
  • رضا آیتی نیا، علی ارشادی* صفحات 49-63

    در تحقیق حاضر تحلیل اکسرژی یک سیستم خشک کن زیست توده به طریق تجربی به وسیله تغییر برخی پارامترها بررسی شده است و دو عامل افت اکسرژی و بهره اکسرژی که معیارهای اصلی در ارزیابی سیستم ها هستند، برای این خشک کن محاسبه گردید. اکسرژی به صورت پتانسیل کار مفید یک سیستم در یک حالت مشخص تعریف می گردد. تحلیل اکسرژی ابزار مفیدی در طراحی و بهینه سازی سیستم های انرژی می باشد. زیست توده، یکی از در دسترس ترین انواع انرژی های تجدیدپذیر به مواد ارگانیکی همانند چوب، پسماندهای گیاهی و پسماندهای زیستی شهری اطلاق می گردد، خصوصا زمانی که از این منابع به عنوان سوخت یا انرژی استفاده شود. میزان رطوبت زیست توده‏‏ی چوبی تازه، عموما زیاد است و خشک کردن زیست توده‏ی چوب قبل از فرایند حصول انرژی جهت عملکرد و بهره وری بهتر، سودمند می باشد. در این تحقیق، آزمایش خشک کردن به وسیله ی یک خشک کن خانگی انجام شد. در این آزمایش ها سه دمای هوای ورودی متفاوت، 60، 80 و oC100 و دو اندازه ی متفاوت ریز و درشت ذرات مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج نشان داد، مقادیر بالاتر دمای هوای ورودی باعث افزایش مقادیر افت اکسرژی و کاهش مقادیر بهره ی اکسرژی می گردد. همچنین مقادیر کوچکتر ذرات باعث کاهش افت اکسرژی و افزایش بهره ی اکسرژی می شود. تغییر پارامترهای فوق روند بهره اکسرژی را از 22 درصد تا 47 درصد افزایش داد.

    کلیدواژگان: بیومس، تحلیل اکسرژی، خشک کردن، انرژی های تجدید پذیر
  • مجید مهران، فریور فاضلپور*، علیرضا سرایی صفحات 65-96

    جمعیت رو به افزایش جهان، تغییر سبک زندگی و شمار محدود منابع طبیعی و انرژی همگی سبب شده است که تاسیسات صنعتی آب شیرین کن، مدعیان اصلی تولید بصرفه آب شیرین باشند. در این پژوهش، تلفیق نیروگاه سیکل ترکیبی (CCPP) با تاسیسات تقطیر با تاثیر چندگانه (MED) و آب شیرین کن به روش اسمز معکوس (RO) از طریق تحلیل های جامع عادی و پیشرفته اگزرژی، اگزرژی-اقتصادی و اگزرژی-زیست محیطی بررسی می شود. در ابتدا، مدلسازی ترمودینامیک CCPP با استفاده از شیوه برنامه نویسی ریاضیاتی انجام می شود. سپس، برای تلفیق CCPP موجود با تاسیسات MED و آب شیرین کن RO، مدلی ریاضیاتی ارایه می شود. در انتها، تحلیل های عادی و پیشرفته فوق الذکر به منظور ارزیابی پارامترهای عملکردی اصلی سیستم یکپارچه CCPP و آب شیرین کن MED-RO، و شناسایی پیشرفت های بالقوه فنی، اقتصادی و زیست محیطی صورت می گیرد. مطالعه ای موردی نیز در مورد نیروگاه برق شهید سلیمی نکا واقع در شمال ایران در راستای دریای خزر ارایه می شود. روش مدلسازی ریاضیاتی برای این سیستم یکپارچه در برنامه «متلب» حل می شود و نتایج آن ازطریق نرم افزار «ترموفلکس» اعتبارسنجی می شوند. نتایج نشان از افزایش 3.79٪ مصرف سوخت پس از تلفیق CCPP و تاسیسات آب شیرین کن دارند. بازدهی اگزرژی سیستم پیشرفته 42.7 درصد و بالاترین هزینه تخریب اگزرژی محفظه احتراق 1.09 دلار در هر ثانیه است.  تحلیل های اقتصادی و زیست محیطی سیستم یکپارچه همچنین نشان می دهد که توربین های گازی بالاترین هزینه سرمایه گذاری (0.047 دلار در هر ثانیه) را دارند. در عین حال، سیستم MED بیشترین نرخ پیامد زیست محیطی، یعنی 0.025 نقطه در ثانیه، را داراست.

    کلیدواژگان: مدلسازی ریاضیاتی و شبیه سازی، آب شیرین کن، آب و تولید برق، نیروگاه سیکل ترکیبی (CCPP)، تقطیر با تاثیر چندگانه (MED)، اسمز معکوس (RO)، تحلیل اگزرژی پیشرفته، تحلیل اگررژی-اقتصادی، تحلیل اگزرژی-زیست محیطی
  • میثم محمودی*، سید ابوذر فنایی صفحات 97-114

    در این مقاله انتقال حرارت جابجایی آزاد در یک محفظه حاوی نانو سیال آب - مس متاثر از رسانش دیواره جامد به صورت عددی بررسی شده است. معادلات حاکم پس از بی بعد سازی به روش عددی حجم محدود و با استفاده از الگوریتم سیمپل حل شده اند. تاثیر پارامترهای مهم شامل کسرحجمی نانوذرات و نسبت ضریب رسانش حرارتی ناحیه جامد به نانوسیال بر جریان و انتقال حرارت جابجایی آزاد محفظه بررسی شدند. بررسی ها در عدد رایلی Ra = 105، کسر حجمی های φ=0، φ=0.02 و φ=0.05  برای نسبت ضریب های رسانش حرارتی Kr =0.1 ، Kr =1 و Kr =10 انجام شده است. نتایج حاصل نشان داد با افزایش کسرحجمی نانوذرات و نسبت ضریب رسانش، سرعت و قدرت جریان به طور متوسط افزایش می یابند. همچنین با افزایش کسر حجمی نانوذرات و نسبت ضریب رسانش، دمای بی بعد نانو سیال درکل کاهش می یابد. علاوه بر آن با افزایش کسرحجمی نانوذرات و مقادیر نسبت ضریب رسانش، نسبت به حالت Kr =1 مقادیر ناسلت در امتداد دیواره ها افزایش می یابند و نرخ انتقال حرارت بیشتری از سطح مشترک جامد و نانوسیال عبور می نماید. در نتیجه برای هدف خنک کاری و کاهش دمای کلی محفظه هرچه نسبت ضریب رسانش بیشتر باشد مفید ترخواهد بود.

    کلیدواژگان: نانوسیال انتقال حرارت جابجایی آزاد، رسانش دیواره جامد، محفظه
|
  • Mehri Mashhadi, Mahboubeh Vaseghi*, Reihaneh Ahmadi Pages 1-12

    The aim of the present study was to manufacture porous Si3N4 ceramic through gel-casting of Si powder and RBSN method. The effects of gel solution pH and amount of sintering aids were investigated. Acrylamide  and Methylenebisacrylamide were used as monomers solution (ratio of 15 AM: 1 MBAM). Al2O3, Y2O3, and SiO2 powders (as sintering aids) and Si (as main powder) were added to obtain a slurry with solid loading of 60wt%. Heat treatment and nitridation process were carried out up to 1350ºC and in N2 atmosphere for 22 hr. Results of XRD analysis showed that the final phase in all samples was metallic Si and β-Si3N4 along with some percentages of cristobalite. Analysis of the effects of pH on the final phase of  the samples made of Si powder (pure and without sintering aids) revealed that preparation of the gel solution in acid environment (pH:2~3) led to an increased intensity of β-Si3N4 phase peaks and reduced metallic Si phase in comparison with the alkaline environment (pH:11~12), and the slurry prepared in the acidic environment reacted more effectively with N2 atmosphere. Regarding the effect of sintering aids on the formation of the final phase, the findings suggested that increasing the amount of SiO2 and reducing Al2O3 and Y2O3 did result in the formation of more β- Si3N4 (from 66% to 80%) and decrease in the Si metal (from 18% to 7%). Moreover, increased amount of sintering aids and formation of more liquid phase facilitated the proces of β-Si3N4.

    Keywords: Porous Si3N4, Gel-casting, Sol pH, Sintering aid
  • Ali Maboudi Reveshti, Abdulsalam Ebrahimpour*, Jafar Razmara Pages 13-29

    Energy field studies and their calculation for the coming years in buildings show that the effects of climate change, especially the problem of global warming, play an essential role. This research includes two cities of Tabriz and Ahvaz with two different climates and a similar building under scenario A2 and two climatic data periods. It was used. The goal is to evaluate the impact of new and old data on energy consumption in the coming years. To predict climate data such as temperature, radiation, humidity, etc., from the CCWorldWeathergen software and also to prepare the 2TMY file from the TMY Creator software. used. Energy Plus software has been used to simulate energy consumption. The results show that using newer data provides a more accurate estimate than the old data. Due to the increase in temperature in the coming years due to global warming in the two cities of Ahvaz and Tabriz, energy consumption for heating and cooling will decrease. For this purpose, taking into account the hot and cold seasons in the forecast years (2080-2050-2020), it has been proven that for the city of Ahvaz during the year 2080 compared to 2020, a 24% reduction in heating energy consumption and a 5% increase in the cooling part, we will have a 19% decrease in heating energy consumption and a 7% increase in the cooling amount for the city of Tabriz during the year 2080.

    Keywords: Forecasting, calculating energy consumption, cooling, heating, weather data
  • Hasan Ghafori*, Mostafa Heidari Varnamkhasti Pages 31-47

    The quality of drying in solar dryers depends on the heat transfer inside the dryer and performance parameters such as pressure drop and efficiency factor. Therefore, the purpose of this research is to investigate the effect of dryer geometry, vortex flow generator, radiation intensity and Reynolds number on heat transfer, pressure drop and performance evaluation coefficient of solar dryer. For this purpose, three different geometries were considered, including a channel with a completely smooth surface, a channel with a curved surface, and a channel with a flow perturber, all three of which were exposed to specific and uniform solar heat flux radiation. For each of the above modes and for Reynolds numbers 3000, 4500, 6000 and 7500 and solar radiation intensities of 700, 800, 900, 1000 and 1100 wat/m2, the amount of average Nusselt number, pressure drop inside the channel and performance evaluation coefficient calculated. The results showed that the use of a vortex generating channel and a channel with concave surface compared to a simple channel increases the amount of heat transfer. Also, as the Reynolds number of the flow increases, while the pressure drop increases, the average Nusselt number also increases.

    Keywords: Solar dryer, Performance evaluation coefficient, Computational fluid dynamics, Vortex generator
  • Reza Ayatinia, Ali Ershadi* Pages 49-63

    In this research the exergy analysis of a biomass drying system were investigated experimentally by varying some drying parameters and exergy loss, exergy efficiency as the two principal factors in analyzing systems were calculated for this dryer. Exergy is defined as useful work potential of a system in a specified state. Exergy analysis is a powerful tool in design and optimization of energy systems. Biomass, one of the most available renewable energies is defined as organic materials, such as wood, agricultural wastes, and municipal biowastes, especially when used as a source of fuel or energy. The moisture content of fresh woody biomass is typically high and it is beneficial to dry woody biomass before the process of energy yield for better performance and efficiency. In this research Drying experiments were performed in a domestic dryer. In these experiments three different inlet air temperatures, 60, 80 and 100oC and two different particle sizes of fine and coarse were considered. The results showed that the higher inlet air temperatures caused higher values of exergy loss and lower values of exergy efficiency. Also the fine particle size decreased the exergy loss and increased the exergy efficiency. Variation of parameters has changed exergy efficiency from 22 to 47 percent.

    Keywords: Biomass, Exergy Analysis, Renewable Energies, Drying
  • Majid Mehran, Farivar Fazelpour*, Alireza Saraei Pages 65-96

    The increasing population of the world, the change of style and the limited number of natural resources and energy all make freshwater industrial productions the main contenders for the cost-effective production of freshwater. In this research, the combination of combined cycle power plant (CCPP) using multiple effect distillation (MED) and reverse osmosis (RO) desiccation techniques is investigated through normal and advanced exergy, exergy-economic and exergy-environmental comprehensive analysis. First, CCPP thermodynamic modeling is done using mathematical programming method. Then, a mathematical model is presented to integrate the existing CCPP with MED and RO desalination plants. Finally, the aforementioned normal and advanced analyzes are performed to evaluate the main performance parameters of the integrated CCPP system and MED-RO desalination system, and to identify potential technical, economic, and environmental improvements. A case study is also presented about the Shahid Salimi Neka power plant located in the north of Iran along the Caspian Sea.The mathematical modeling method for this integrated system is solved in "MATLAB" program and its results are validated by "Thermoflex" software. The results show a 3.79% increase in fuel consumption after combining CCPP and water desalination facilities. The exergy efficiency of the advanced system is 42.7% and the highest combustion chamber exergy destruction cost is $1.09 per second. Economic and environmental analyzes of the integrated system also show that gas turbines have the highest investment cost ($0.047 per second). At the same time, the MED system has the highest environmental impact rate, i.e. 0.025 points per second.

    Keywords: mathematical modeling, simulation, Desalination, Water, power generation, combined cycle power plant (CCPP), Multiple Effect Distillation (MED), reverse osmosis (RO), Advanced exergy analysis, Agro-economic analysis, Exergy-environmental analysis
  • Meysam Mahmoudi*, Aboozar Fanaei Pages 97-114

    In this article, the authors investigate free convection heat transfer in a cavity containing water-copper nanofluid affected by solid wall conduction using numerical methods. The governing equations were solved using a dimensionless numerical method and a simple algorithm. The authors investigated the effect of important parameters, including the volume fraction of nanoparticles and the ratio of the thermal conductivity coefficient of the solid region to the nanofluid, on the flow and heat transfer of the free movement of the chamber. The investigations were carried out at Rayleigh number Ra = 105, volume fractions ϕ=0, ϕ=0.02 and ϕ=0.05 for the ratio of thermal conductivity coefficients Kr =0.1, Kr =1 and Kr =10. The results showed that with an increase in the volume fraction of nanoparticles and the ratio of the conduction coefficient, the speed and power of the flow increased on average. Additionally, an increase in the volume fraction of nanoparticles and the ratio of the conductivity coefficient led to a decrease in the dimensionless temperature of the nanofluid. Moreover, compared to the case of Kr = 1, increasing the volume fraction of nanoparticles and the values of the ratio of the conduction coefficient led to higher Nusselt values along the walls, indicating a higher heat transfer rate passing through the interface of solid and nanofluid. Therefore, a higher ratio of the conduction coefficient can be useful for cooling and reducing the overall temperature of the cavity

    Keywords: Nanofluid, free convection heat transfer, solid wall conduction, cavity