در این فصل ابتدا در مورد قطعه مورد نظر توضیحاتی داده می شود و پس از آن مروری بر کارهای گذشته انجام می‌شود.

 

1-2 معرفی قطعه مورد بررسی

 

قطعه مورد بررسی عبارت است از یک پروفیل دو بعدی (شکل1-1). این لوله ها در ساخت ژنراتور(شکل1-2) استفاده می‌گردد و وظیفه انتقال جریان برق را برعهده دارد و از طرفی جهت خنک شدن این لوله ها از داخل آن‌ها جریان هوای سرد عبور می‌کند. این قطعات در شرکت مهندسی و ساخت ژنراتور مپنا که یکی از از زیر مجموعه های گروه مپنا می‌باشد مورد استفاده قرار می‌گیرد. تاکنون این قطعات از شرکت Ansaldo که یک شرکت ایتالیایی می‌باشد وارد می‌شده است و در حال حاضر تدوین دانش فنی ساخت این قطعه در کشور مورد نیاز می‌باشد.

 

شکل 1-1 مقطع کنداکتور

 

یکی از روش های ممکن برای تولید لوله های چهارگوش روش اکستروژن می‌‎باشد. قطعه مورد بررسی از جنس مس می‌باشد به همین دلیل از هدایت حرارتی بالایی برخورد دار است و اکستروژن گرم آن مشکل است.

 

 به دنبال روشی می باشیم که بتوان از روش کار سرد، لوله ای با مقطع دایره ای را به مقطع مورد نظر تبدیل کنیم. در این زمینه تحقیقاتی صورت گرفته است که در بخش های بعدی به توضیح بیشتر در این زمینه می‌پردازیم.

 

1-3 مروری بر کارهای انجام شده

 

پیش از این، روش‌های تجربی، تحلیلی و عددی متفاوتی برای بررسی فرآیند شکل‌دهی غلتکی لوله انجام گردیده است. نتایج بدست آمده برخی از این تحقیقات با اندازه گیری تجربی مطابقت خوبی را نشان می‌دهد.

 

کیوچی1 تاثیر متغیر های فرآیند و برنامه عبور لوله برای حالتی که در آن لوله دوار اولیه با جداره نازک به لوله ای با مقطع مربعی تبدیل می شود را در مورد فرآیند نورد غلتکی سرد بصورت آزمایشی و تقریبی مورد بررسی و تحقیق قرار داده است. توزیع تغییر ضخامت دیواره در سطح مقطع لوله برای هر مرحله از فرآیند شکل‌دهی ،تاثیرات نحوه عبور لوله از غلتک‌ها بر روی شعاع گوشه‌های سطح مقطع مربعی محصول و بدست آمدن حداقل شعاع گوشه ها مورد تحقیق قرار گرفته است[1و2].

 

ون2 در مورد استفاده از طراحی های پیشرفته ابزار برای شکل‌دهی لوله گرد به لوله‌های مربعی بحث کرده است. با استفاده از این یک روش شبیه سازی عددی ،مثل روش اجزا محدود، مقدار انقباض محیطی لوله را در این فرآیند محاسبه نموده و ابعاد گرد اولیه لوله را به دست آورده است. وی تاثیر پارامترهای مانند ابعاد لوله نهایی، مقدار تغییر شکل در هر مرحله، تعداد مراحل و . . . را بر روی گوشه های لوله بررسی کرده است[3].

 

اونادا3 و همکارانش ویژگی‌های تغییر شکل لوله‌های فولادی گرد که به وسیله فرآیند شکل‌دهی اکسترول به لوله‌های مربعی تبدیل می‌شوند را با توجه با اندازه 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

  گیری‌های تجربی و نتایج محاسبه شده بوسیله روش اجزا محدود برای ماده صلب-پلاستیک مورد بحث قرار داده‌اند[4و5].

 

 

بایومی2 یک روش تحلیلی برای تولید لوله های چند ضلعی منتظم فلزی از لوله گرد به روش کشش سرد با عبور از درون یک مجموعه غلتک‌های تخت و در طی یک مرحله ارائه داده است(شکل1-2). این حل بر بدست آوردن یک میدان سرعت مجاز مبتنی است که شرایط دینامیکی برای ایجاد مؤلفه‌های نرخ کرنش را ارضا می‌کند. اثرات شکل مقطع خروجی، میزان اصطکاک در سطح تماس لوله و غلتک، شعاع غلتک و ضخامت دیواره بر روی میزان بار وارده بر غلتک‌ها و نیروی کشش مورد نیاز برای انجام فرآیند تحقیق شده است]6[.

 

شکل1-2 تولید لوله های چند ضلعی (a) نحوه چیدمان غلتک ها (b) مقاطع چند ضلعی منتظم مختلف]6[

 

مسلمی نائینی یک شبیه سازی عددی جدید و ساده به نام FDM برای تحلیل دوبعدی تغییر شکل الاستیک-پلاستیک لوله در فرآیند شکل‌دهی مجدد لوله گرد به لوله های گرد  فرآیند شکل‌دهی مجدد لوله های گرد به لوله‌های غیر گرد با استفاده از ترکیب روش اجزا محدود و روش تفاضل محدود تعیین نموده است]7[.

 

لئو1 فرآیند شکل دهی مجدد لوله های مربعی را با استفاده از چهار صفحه تخت انجام داده است. در این روش لوله گرد اولیه ابتدا گیره بندی شده و سپس چهار صفحه تخت به صورت تدریجی باعث تغییر شکل لوله گرد به حالت چهار گوش میگردد. وی با استفاده از روش اجزای محدود به بررسی پارامترهای موثر بر روی این فرآیند مانند ضریب اصطکاك،ضریب کرنش سختی، نرخ هندسی (R / t ) بر روی عیوب تورفتگی دیواره ها در فرآیند چهارگوش کردن وتعیین نیروی شکل دهی پرداخته است (شکل1-3)]8و9و10[.

 

 

 

 

شکل1-3  تبدیل لوله مربعی توسط چهار صفحه]10[

 

هوانگ یانگ مینگ1 در تحقیقی دیگر به روش اجزاء محدود الاستو پلاستیک به بررسی تاثیر پارامترهایی همچون اصطکاك، نرخ هندسی،جنس لوله ها و میزان کاهش ارتفاع بر روی نیروی شکل دهی و حالت های خرابی پیش آمده در تبدیل لوله های چهار گوش از لوله گرد اولیه بااستفاده ازقالب های V شکل پرداخته است(شکل1-4)]11[.

 

 

شکل1-4 تولید لوله مربعی توسط قالب V شکل]11[

 

بایومی1 و همکارانش به بررسی و تعیین نیروهای شکل دهی و کشش در تبدیل لوله های گرد به لوله های چهار گوش به وسیله چهار صفحه پرداخته‌اند. این تحلیل به کمک یک روش تحلیلی و به کمک روش اجزا محدود در نرم افزار های ABAQUS و LS-DYANA 3D انجام شده وبه منظور تایید و مقایسه نتایج شبیه سازی و تحلیلی یک سری آزمایشات تجربی انجام شده است(شکل1-5) ]12[.

 

شکل1-5 تغییر شکل لوله توسط اعمال نیرو از چهار طرف]12[

 

 

 

 

‏ای بر ارتعاشات توربین بادی محور افقی.. 22

 

1-8-1      نیروهای تحریک و درجات آزادی ارتعاشی.. 23

 

1-8-2      ارتعاشات پره­های باریک توربین بادی.. 25

 

1-9   کارت دینامیکی پره توربین بادی (نمودار کمپبل) 27

 

1-10 تاریخچه‏ی کارهای انجام شده در زمینه‏ی آنالیز دینامیکی پره‏ی توربین بادی.. 28

 

1-11 کار حاضر و اهداف پروژه. 31

 

1-11-1    مشخصات توربین بادی مورد مطالعه. 32

 

1-12 محتوای فصل­های بعدی.. 33………34

 

2-1   فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی لبه­ای تیر چرخان.. 35

 

2-1-1      تغییر مکان نقاط تیر. 36

 

2-2   تئوری تیر تیموشنکو. 37

 

2-2-1      ضریب اصلاح برشی.. 40

 

2-3   محاسبه انرژی‌های جنبشی و کرنشی.. 42

 

2-4   اصل همیلتون.. 44

 

2-4-1      تغییرات مجازی انرژی جنبشی.. 44

 

2-4-2      تغییرات مجازی انرژی کرنشی.. 45

 

2-4-3      تغییرات مجازی انرژی پتانسیل ناشی از بارهای اعمال شده به سیستم.. 45

 

2-4-4      معادلات دیفرانسیل حرکت سیستم برای حالت لبه­ای.. 47

 

2-5   گسسته سازی معادلات حرکت… 48

 

2-5-1      محاسبه توابع شکل.. 48

 

2-6   فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی لبه­ای بر اساس تئوری تیر اویلر-  برنولی.. 61

 

2-7   فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی بال­زدن تیر چرخان.. 63

 

2-7-1      تغییر مکان نقاط تیر. 63

 

2-7-2      محاسبه انرژی‌های جنبشی و کرنشی.. 65

 

2-7-3      معادلات دیفرانسیل حرکت سیستم در حالت بال­زدن. 67

 

2-7-4      گسسته سازی معادلات حرکت… 68

 

2-8   فرمول‌بندی ارتعاشات خمشی بال­زدن بر اساس تئوری تیر اویلر- برنولی.. 72

 

فصل سوم: تحلیل ارتعاشات پره توربین بادی به کمک نرم­افزار و استخراج پارامترهای مودال………73

 

3-1   روش مدل­سازی و تحلیل نرم­افزاری.. 74

 

3-1-1      روش نرم‏افزاری اجزا محدود. 74

 

3-1-2      نرم­افزار اجزاء محدود آباکوس… 75

 

3-2   فرضیات بکار رفته در استفاده از نرم­افزار. 75

 

3-3   فرایند تحلیل نرم­افزاری.. 76

 

3-3-1      مدل­سازی پره توربین بادی.. 76

 

3-3-2      تعریف خصوصیات ماده 76

 

3-3-3      تعیین نوع حل.. 76

 

3-3-4      تعریف شرایط مرزی و بارگذاری.. 77

 

3-3-5      مش­بندی یا شبکه­بندی.. 78

 

3-4   اعتبار‏سنجی.. 81

 

3-5   نتایج تحلیل نرم­افزاری پره توربین بادی.. 86

 

3-5-1      تحلیل فرکانسی پره توربین بادی.. 86

 

3-5-2      تحلیل فرکانسی پره توربین بادی با در نظر گرفتن سرعت دورانی روتور. 87

 

3-5-3      مقایسه فرکانس­های طبیعی تئوری­های اویلر- برنولی و تیموشنکو. 93

 

3-5-4      بررسی اثر لایه­چینی مواد کامپوزیتی بر روی فرکانس­های طبیعی 93

 

3-5-5      بررسی اثر سرعت دورانی بر روی فرکانس­های طبیعی.. 97

 

3-5-6      بررسی اثر ضخامت پوسته پره توربین بادی بر روی فرکانس­های طبیعی.. 98

 

3-5-7      بررسی اثر شعاع هاب روتور بر روی فرکانس­های طبیعی.. 99

 

3-5-8      بررسی پاسخ گذرای سیستم تحت یک ضربه­ی فشاری.. 100

 

 

 

4-1   نتیجه‏گیری.. 103

 

4-2   پیشنهادات… 105

 

 مراجع ……………………………………………106

 

1-1 پیش­گفتار

 

با گسترش روز افزون جوامع انسانی و توسعه جوامع مختلف، نیاز به منابع انرژی در حال افزایش است. از سوی دیگر منابع فسیلی در جهان رو به اتمام هستند، این منابع از نظر اندازه و مقدار محدود بوده و در ضمن آلاینده محیط زیست نیز محسوب می­شوند. از این رو در سال­های گذشته، گرایش به استفاده از منابع نوین و تجدیدپذیر انرژی رو به فزونی گذاشته است که یکی از ارزان­ترین و در دسترس­ترین آن­ها انرژی باد است. بررسی میزان استفاده از این انرژی در سال­های اخیر به خوبی گویای اهمیت و جایگاه آن در تامین انرژی در سطح جهان است.

 

در حال حاضر انرژی باد با رشد متوسط سالیانه بیش از 26 درصد از سال 1990 به بعد، بالاترین میزان رشد را در بین منابع مختلف انرژی داشته است. با این وجود هنوز هم از پتانسیل جهانی انرژی بادی به طور کامل استفاده نشده است. از نظر تاریخی بازار انرژی بادی عمدتاً تحت کنترل پنج کشور آلمان، اسپانیا، ایالات متحده آمریکا، هند و دانمارک بوده است.

 

اما طی سال­های اخیر بسیاری از کشورهای توسعه یافته و در حال توسعه در صدد توسعه بهره­گیری از انرژی باد بوده­اند و چندین کشور خارج از اروپا و ایالات متحده در حال حاضر گام­های اولیه برای توسعه بازارهای تجاری با مقیاس بزرگ انرژی بادی را برداشته­اند. اهداف سیاسی برای انرژی بادی در حال حاضر در 45 کشور دنیا و از جمله 10 کشور در حال توسعه وضع گردیده است. چین به تنهایی طی سال­های اخیر هدف خود را تولید 30 گیگاوات برق بادی تا سال 2020 قرار داده است و این در حالی است که پتانسیل بهره­گیری از انرژی باد در این کشور و سایر کشورها بسیار بالاتر از ارقام ذکر شده می­باشد. نمودارهای زیر حاوی اطلاعاتی در زمینه روند توسعه توربین بادی در سال­های گذشته است (شکل 1-1 و شکل 1-2). 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

 

 

شکل1-1: ظرفیت کلی برق بادی جهان، 1996-2012]11[.

 

شکل1-2: ظرفیت سالیانه برق بادی در نواحی مختلف جهان از سال 2004 تا 2012 ]11[.

 

1-2 انواع توربین­های بادی پیشرفته

 

توربین‏های بادی پیشرفته از نظر محور گردش پره‏های روتور به دو دسته تقسیم‏بندی می‏شوند: توربین‏های بادی با محور عمودی[1] و توربین‏های بادی با محور افقی[2] (شکل1-3).

 

شکل1-3: انواع توربین‏های بادی پیشرفته: a) توربین بادی با محور عمودی b) توربین بادی با محور افقی]12[.

 

1-2-1  توربین­های بادی با محور عمودی

 

توربین‏های بادی با محور عمودی از دو بخش اصلی تشکیل شده‏اند: یک جزء اصلی که رو به باد قرار می‏گیرد و جزء‏های عمودی دیگری که عمود بر جهت باد کار گذاشته می‏شوند. این توربین­ها شامل قطعاتی با اشکال گوناگون بوده که باد را در خود جمع کرده و باعث چرخش محور اصلی می‏گردد. ساخت این توربین‏ها بسیار ساده بوده ولی بازده پایینی دارند. در این نوع توربین‏ها در یک طرف توربین، باد، بیشتر از طرف دیگر جذب می‏شود و باعث می‏گردد که سیستم لنگر پیدا کرده و بچرخد. یکی از مزایای این سیستم وابسته نبودن آن به جهت وزش باد می‏باشد.

 

1-2-2  توربین‏های بادی با محور افقی

 

توربین‏های بادی با محور افقی نسبت به مدل محور عمودی رایج‏تر بوده و همچنین از لحاظ تکنولوژی پیچیده‏تر و گران‏تر نیز می‏باشد. ساخت آن‏ها مشکل‏تر از نوع عمودی بوده ولی راندمان بسیار بالایی دارند. این نوع توربین­ها در سرعت­های پایین نیز توانایی تولید انرژی الکتریکی را داشته و توانایی تنظیم جهت در مسیر وزش باد را نیز دارند.

 

توربین‏های بادی محور افقی به دسته‏های تک پره‏ای، دو پره‏ا‏‏ی، سه پره‏ای و چند پره‏ای تقسیم­بندی می‏شوند. همان طور که در شکل1-4 نمایش داده شده است. توربین‏های بادی محور افقی تک پره‏ای با اینکه هزینه ساخت و نیاز به مواد اولیه کمتری دارند؛ زیاد مورد استفاده قرار نمی‏گیرند. زیرا به منظور بالانس وزن توربین بادی تک پره‏ا‏ی، این پره‏ها نیاز به وزنه تعادل در طرف مخالف هاب[3] دارند. همچنین این توربین­ها برای تولید قدرت خروجی یکسان در مقایسه با توربین‏های بادی سه پره‏ای به سرعت باد بیشتری نیاز دارند. توربین‏های بادی دو پره‏ا‏ی تقریباً مشکلات مشابه توربین‏های بادی تک پره‏ای را دارند و انرژی کمتری نسبت به توربین‏های بادی سه پره‏ای دریافت می‏کنند. توربین‏های بادی چند پره‏ای اغلب به صورت آسیاب‏های پمپاژ آب مورد استفاده قرار می‏گیرند و برای تولید برق زیاد استفاده نمی‏شوند. بنابراین اکثر توربین‏های بادی تجاری حال حاضر سه پره‏ای هستند.

 

شکل 1-4: تقسیم‏بندی توربین‏های بادی: a) تک پره‏ای b) دو پره‏ای c) سه پره‏ای d) چند پره‏ای]12[.

 

مطابق با شکل 1-5 روتور توربین بادی را می­توان پایین دست برج (پشت به باد)[4] و یا بالا دست برج (رو به باد)[5] نسبت به جریان باد تعبیه نمود. یکی از مزایای تعبیه روتور پشت به باد، جلوگیری از برخورد پره­ها به خصوص پره­های قابل ارتجاع به پایه برج می­باشد و همچنین می­توان طول شافت روتور را حتی­المقدور کوتاه انتخاب نمود. مزیت روتور رو به باد این است که پره­ها می­توانند در جریان هوای آشفته کار کنند اما نیروهای باد، روتور را در جهت باد به گردش در آورند و در این نوع توربین­ها نیاز به سیستم انحراف برای نگه داشتن توربین در خلاف جهت باد است.

 

 

 

شکل 1-5: تقسیم­بندی روتور توربین­های بادی: a) پایین دست برج(پشت به باد) b) بالا دست برج(رو به باد)]12[.

 

همچنین توربین­های بادی محور افقی از نظر تغییر سرعت به دو نوع توربین­های بادی با سرعت ثابت و توربین­های بادی با سرعت متغیر تقسیم­بندی می­شوند. توربین­های بادی با سرعت ثابت مزایایی از قبیل سادگی، قابلیت اطمینان بالا، هزینه ساخت و بهره­برداری پایین دارند. عیب عمده آن­ها پایین بودن بازدهی به علت کارکرد با سرعت تقریباً ثابت در سرعت­های مختلف باد است. جهت رفع نقیصه فوق، توربین­های بادی با سرعت متغیر طراحی شده­اند که با تنظیم سرعت چرخش روتور در سرعت­های مختلف باد، بیشترین توان ممکن را از باد جذب می­کنند. دو نوع پرکاربرد این توربین­ها، توربین­های بادی دارای مبدل با ظرفیت کامل وتوربین­های بادی دارای ژنراتور القایی دو تحریکه هستند.

 

1-3 نیروگاه­های بادی

 

مکان­ تولید برق از نیروی باد توسط توربین‏های بادی را اصطلاحاً نیروگاه­ بادی می‏نامند. نیروگاه‏های بادی به دو دسته‏ی نیروگاه‏های بادی مستقر در دریا[6] و نیروگاه‏های بادی مستقر در خشکی[7] تقسیم‏بندی می‏شوند(شکل 1-6). توربین‏های بادی مستقر در خشکی اغلب در ارتفاعات، به منظور دستیابی به سرعت بیشتر نصب می‏شوند که این توربین‏ها به علت محدودیت‏هایی نظیر صدای توربین و محدود بودن زمین‏های در دسترس به اندازه‏ی توربین‏های بادی دریایی در حال پیشرفت نیستند.

 

شکل 1-6: تقسیم­بندی نیروگاه­های بادی: a) نیروگاه‏های مستقر در دریا (b نیروگاه‏های مستقر در خشکی]12[.

 

توربین­های بادی مستقر در دریا دارای انرژی تولیدی و ساعت‏های کاری بیشتری نسبت به توربین‏های بادی مستقر در خشکی می­باشند که این امر به علت در دسترس بودن باد با سرعت بالاتر و یکنواخت‏تر در مناطق باز است. مزیت دیگر استفاده از توربین‏های بادی مستقر در دریا، آشفتگی بادی کمتر همراه با سرعت متوسط باد بیشتر و دریافت صدای صوتی کمتر از توربین است. از سوی دیگر توربین‏های بادی مستقر در خشکی مزیت‏های دیگری دارند که آن‏ها را به سازه‏های با نصب و ساخت آسان‏تر و دستیابی آسان‏تر برای نگه‏داری و به‏ کارگیری تبدیل کرده است.

 

1-4 قدرت توربین بادی محور افقی

 

قبل از بیان قدرت توربین بادی لازم است که به تعریف قدرت باد پرداخته شود. قدرت نامی موجود در باد را می‏توان با استفاده از رابطه زیر محاسبه کرد.

 

‑1

 

که در این فرمول:

 

• قدرت باد (وات)

 

• وزن مخصوص هوا(چگالی یا دانسیته)

 

• سطح دایره‏ای شکل جارو شده توسط پره‏های روتور

 

• سرعت نسبی باد که حاصل از برایند دو سرعت واقعی در محیط و سرعت روتور می‏باشد.

قدرت توربین بادی

 

قدرت یک توربین بادی از طریق معادله زیر قابل محاسبه می‏باشد.

 

                                                                                                       ‏1‑2

 

 ضریب قدرت نامیده می‏شود و طبق تعریف درصدی از انرژی باد است که به انرژی مکانیکی تبدیل می‏شود.

 

اگر بتوان سرعت روتور را متناسب با سرعت باد کنترل نمود، همواره می‏توان از ضریب قدرت ماکزیمم برخوردار بود.

 

 بر اساس تئوری بتز، برای اخذ حداکثر انرژی ممکن، روتور توربین بادی باید بگونه‏ای تعبیه گردد که سرعت جریان در بالا دست روتور (مقابل روتور) 3 برابر پایین دست روتور (پشت روتور) باشد. بدین ترتیب مقدار ضریب قدرت ماکزیمم 593/0 می‏شود.

ریزش غالب در دیواره شمالی معدن چغارت از نوع واژگونی می­باشد که این نوع ریزش به‌علت وجود پارامتر‌های مجهول بسیار در تحلیل و تنوع رفتاری بالا، پیشرفت چشم‌گیری در تحلیل آن‌ها به وجود نیامده است. در این فصل به بررسی ریزش واژگونی و خصوصیات آن پرداخته می­شود.

 

1-2- ریزش واژگونی

 

ریزش واژگونی یکی از ناپایداری­های خطرناک در شیب­های سنگی است. از نقطه نظر مکانیزم، ریزش­های واژگونی اصلی در سه کلاس خمشی، بلوکی و بلوکی-خمشی طبقه بندی می­شوند. اگر توده­سنگ دارای ناپیوستگی­های پرشیب و در خلاف جهت  سطح شیبدار و هم امتداد با این سطح  باشد، شبیه ستون­های سنگی که بر روی یکدیگر قرار گرفته­اند عمل می­کند و دارای پتانسیل ریزش  واژگونی خواهد بود. 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

 

 

وقتی ستون­های سنگی بوسیله یک سری ناپیوستگی با شیب به سمت داخل سطح شکل بگیرند و دسته درزه دیگری تقربیا عمود بر ناپیوستگی قبلی نیز وجود داشته باشد که ارتفاع ستون­ها را قطع کند، منطقه مستعد گونه­ای از ریزش واژگونی به نام واژگونی بلوکی خواهد بود. ستون­های کوچک پایین شیب بوسیله­ی باری که از سمت ستون­های بزرگتر بالایی بر آن­ها اعمال می­شود به جلو رانده  می­شوند و این لغزش در پایین شیب اجازه می­دهد واژگونی به سمت بال ادامه یابد. پایه­ی ریزش عموما شامل سطحی است که هر چه به قله نزدیک می­شود ارتفاع آن افزوده می­شود. شرایط هندسی در این نوع ریزش در ماسه سنگ و بازالت های ستونی جاییکه ستون­های متعامد به خوبی شکل می­گیرند، قابل رویت است[1].

 

شکل  1- 1. واژگونی بلوکی[1]

 

وقتی ستون­های پیوسته سنگ که توسط ناپیوستگی­­های پرشیب ایجاد شده اند، در اثر خمش می­شکنند و به سمت جلو خمیده می­شوند، نوعی از واژگونی به نام واژگونی خمشی تعریف می­شود. شرایط هندسی معمول این ریزش در لایه بندی باریک اسلیت­ها و شیل­ها قابل رویت است. صفحه پایه­ی ریزش در این نوع واژگونی به خوبی قابل تشخیص نیست. لغزش، حفاری و فرسایش پایین دامنه اجازه می­دهد پروسه واژگونی آغاز شود و در ادامه به سمت داخل توده سنگ پیشروی کند.

پرداختن به موضوع فلر از دو جهت کلی دارای اهمیت می باشد. اول آنکه گازهای ارسالی به فلر، گازهای با ارزش اقتصادی قابل توجهی می باشد و نکته دوم تاثیرات مخرب زیست محیطی ناشی از احتراق گازهای مذکور است [1] . کشور عزیزمان ایران با داشتن مخازن عظیم نفت و گاز و همچنین تاسیسات گسترده در بخش های بالادستی، میان دستی و پائین دستی مقادیر قابل توجهی از گازهای با ارزش را در فلرها به گازهای مخرب برای محیط زیست تبدیل می نماید. اگرچه اقدامات گسترده ای با هدف کاهش تلفات این سرمایه ملی در کشور به عمل آمده است اما هنوز ضرورت ارائه راهکارهای مناسب در این زمینه وجود داشته که در طرحی جامع قابل بررسی است. از این رو مدیریت تولید و کاهش گازهای فلر بستر مناسبی برای انجام فعالیت های علمی، تحقیقاتی و کاربردی نه تنها در سطح کشور بلکه در کل دنیا می باشد.

-2-1  تعریف مسئله

 

بهینه سازی مصرف انرژی و کاهش آلاینده های زیست محیطی یکی از دغدغه های اساسی صنایع، خصوصا صنایع نفت، گاز و پتروشیمی است و تاکنون روش های گوناگونی چه در مرحله طراحی اولیه و چه در مرحله اصلاح واحدهای موجود، بررسی و مورد استفاده قرار گرفته اند. یکی از مهمترین مسائل مربوط به محیط زیست در این صنایع، دفع مناسب گازهای هیدروکربنی زائد موجود در واحدها و مجتمع های صنعتی است. از متداولترین روش های موجود، رهاسازی و سوزاندن این گازهاست. روش 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

 

 

ها و تجهیزات متفاوتی جهت انجام این کار موجود می باشد، که بنا به ماهیت های متفاوت این مواد می توان از آنها استفاده نمود.  متداولترین نوع این تجهیزات، فلرهاهستند.  فلرها تجهیزات مناسبی برای دفع ایمن گازهای زائد توسط احتراق و رهاسازی آنها در محیط می باشند [2] .

 

فلر دهی فرآیند سوختن و احتراقی است که در آن مواد آلی و گازهای اضافی سوختنی قبل از آنکه مشکلی برای تاسیسات بوجود آورند از کلیه قسمت های واحد توسط شبکه ای از خطوط لوله به منطقه ای با فاصله مناسب از واحدهای عملیاتی ارسال شده و بصورت کنترل شده ای سوزانده می شوند.  فلرها همواره حین فعالیت گرما و صدا تولید می کنند.  میزان و نوع گازهای انتشار یافته از فلر به محیط زیست تابع راندمان احتراق و نوع گازهای ارسالی به فلر می باشد [5].

 

سیستم فلر بطور کلی در سه حالت مختلف از شرایط عملیاتی واحد، گازهای دریافتی را میسوزاند:

 

2) شرایط آشفتگی واحد: این شرایط در هنگام راه اندازی یا توقف کامل کارخانه بوجود آمده و حجم گازهای ارسالی به فلر بیش از شرایط عادی میباشد.

 

3)شرایط اضطراری واحد: در مواقعی که حوادثی نظیر نقص فنی دستگاه یا قطع جریان برق اتفاق میافتد، مقداری از گازها به صورت ناخواسته به فلر ارسال میشود. از آنجا که در این حالت تنظیم نسبت سوخت و هوا نامناسب میباشد لذا شعله های سیاه و پر دود ایجاد می گردد. شرایط اضطراری ممکن است بدلایل مختلفی اتفاق افتد که برخی از آنها عبارتند از :[1]

 

• تغییر در خوراک ورودی

 

• نقص فنی تجهیزات

 

• تعمیر و نگهداری نامناسب

 

• اشتباهات انسانی

 

• انحراف از رویه بهره برداری

 

• قطع جریان برق

 

• بهره برداری بیش از ظرفیت طراحی

اگرچه هر فرآیند شیمیایی نظیر فرایندهای پالایشگاهی و پتروشیمیایی بدلایل مختلف جهت رعایت ایمنی شاغلین و تجهیزات ملزم به استفاده از سیستم فلر می باشند اما می توان راهکارهایی را ارایه نمود تا میزان جریان ارسالی به فلر به حداقل برسد. راهکارهای دستیابی به کاهش فلرینگ در هر یک از سه قسمت اصلی سیستم فلر بصورت زیر قابل ارائه و اجرا می باشند:

 

1)بخش فرآیند: کاهش تولید گازهای فلر از طریق بهبود شرایط فرآیندی و جلوگیری از نشتی در تجهیزات و اتصالات

 

2)شبکه جمع آوری: بازیابی و استفاده مجدد از گازهای فلر تولیدی بر اساس مشخصات آن

 

3)سیستم فلر: اصلاح سیستم فلر شامل تجهیزات، عملکرد آنها و سیستم های کنترلی و نظارتی

 

پالایشگاه تخلیه می شوند.

 

مطابق با طرح مفهومی نشان داده شده در شکل 1، جریان های گازی از واحدهای فرآیندی مختلف از طریق سیستم سوخت گازی پالایشگاه جهت تصفیه مجدد جمع آوری می گردند، در حالیکه از طریق سیستم تراکمی بازیابی، گازهای ارسالی به فلر از واحدهای مختلف، به سیستم سوخت گازی پالایشگاه بازگردانده می شوند.

ای بر فلوئنت… 46

 

3-2-3.. هندسه مسئله. 49

 

3-2-4 شبکه بندی.. 51

 

3-2-5.. حل مستقل از شبکه و حساسیت بازه زمانی.. 57

 

3-3. معادلات حاکم در این تحقیق.. 61

 

3-3-1.. شرایط مرزی و اولیه. 62

 

3-4. اعتبار سنجی.. 63

 

3-5. بررسی نتایج.. 66

 

3-5-1.. بررسی اثر تعداد پره ها 66

 

3-5-2  بررسی اثر ارتفاع پره ها 70

 

3-5-3.. بررسی اثر ضخامت پره ها 74

 

3-5-4  بررسی اثر جدا نمودن ماده تغییر فاز دهنده توسط پره ها 78

 

3-5-5.. بررسی اثر تغییرات جنس مبدل.. 82

 

3-5-6… بررسی اثر تغییرات دمای سیال  86

 

:

 

4-1. نتیجه‌گیری.. 92

 

4-2. پیشنهادات برای ادامه کار 93

 

 

 

1 مواد تغییر فاز دهنده (PCM) چیست؟

 

(Phase Change Material) PCM به مواد تغییرفاز دهنده گفته میشود. این مواد تركیبات آلی یا معدنی هستند كه قابلیت جذب و ذخیره پنهان مقادیر زیادی از انرژی گرمایی را درون خود دارند. ذخیره انرژی گرمایی در این مواد، در طی فرآیند تغییر فاز (تغییر حالت از جامد به مایع یا بالعكس) اتفاق میافتد. این مواد به هنگام تغییر فاز از جامد به مایع یا از مایع به جامد، این گرما را از محیط جذب نموده و یا به محیط پس می دهند. ماده تغییر فازدهنده قابلیت آن را دارد كه این انرژی نهفته گرمایی را بدون هیچگونه تغییری حتی پس از هزاران چرخه تغییر فاز، درون خود حفظ نماید. این مواد در صورت استفاده در ساختمان، از طریق چرخه های متوالی ذوب و انجماد در تغییرات شدید دمای هوا (مثلا بین شب وروز)، مقادیر زیادی گرما را با محیط تبادل نموده و از این طریق دمای هوای متعادل تری را برای فضای داخل ساختمان تامین می نمایند]1[.

 

1-2 تاریخچه استفاده از مواد تغییر فازدهنده:

 

1-3 چگونگی عملكرد مواد تغییر فاز دهنده:

 

پس از رسیدن به این دما علیرغم اینكه دمای محیط همچنان به روند افزایشی خود ادامه میدهد، دمای این مواد و البته محیط اطراف آن به دلیل اینكه در حال تغییر فاز است، ثابت مانده و در برابر افزایش دما مقاومت مینماید. در واقع، طی این بازه زمانی كه معمولاً چند ساعت نیز به طول می انجامد، ماده تغییر فازدهنده مقادیر زیادی از گرمای محیط را به خود جذب مینماید، ولی آن را صرف افزایش دمای خود نمیكند، بلكه این گرمای جذب شده را صرف تغییر فاز خود از جامد به مایع نموده و طی فرایند تغییر فاز، دمای خود و محیط اطراف خود را ثابت نگاه میدارد. این روند تغییرات دمایی و جذب انرژی گرمایی در شكل1-1 بخوبی قابل مشاهده است]3[. در منطقه مربع شكل سفید رنگ، فرآیند تغییر فاز در حال شكل گرفتن بوده و در همین منطقه است 

خرید متن کامل این پایان نامه در سایت nefo.ir

 

 

كه انرژی گرمایی جذب شده توسط ماده درون  آن ذخیره می شود.

 

شكل 1-1 : نمودار عملكرد ماده تغییر فازدهنده

 

1-4 خصوصیات مواد تغییر فازدهنده

 

موادتغییر فازدهنده استفاده شده در طراحی سیستم های ذخیره حرارتی، باید دارای خصوصیات زیر باشند]4[:

 

الف. خواص حرارتی: دمای تغییر فاز مناسب،گرمای نهان تغییر فاز بالا،انتقال حرارت خوب؛

 

ب. خواص فیزیکی: تعادل فاز مطلوب، چگالی بالا،تغیرحجم کم، فشار بخار پایین،تغییر فاز تجدید پذیر؛

 

ج. خواص سینتکی: عدم فوق تبرد، نرخ تبلورکافی؛

 

د. خواص شیمیایی: پایداری شیمیایی بلند مدت،سازگاری با مواد ساختاری سیستم، عدم سمیت، عدم خطر احتراق؛

 

ه. خواص اقتصادی: در دسترس بودن، قیمت مناسب، قابلیت بازیافت.

یکی از مشکلات تغییر فاز تجدید پذیر، جدایی فاز است. جدایی فازی زمانی اتفاق می افتد که فازهای دارای ترکیبهای گوناگون به صورتی ماکروسکوپی ازهم جدا شوند. فوق تبرید نیز اثری است که در آن دما به صورت قابل توجهی به زیر دمای ذوب می رسد تازمانی که ماده شروع به انجماد وآزادسازی گرما کند (شکل 1-2). اگر به این دما نرسیم، ماده تغییر فاز منجمد نشده و تنهاگرمای محسوس را ذخیره می کند]5[.

 

شکل 1-2 :تغییر دما طی فرایند ذوب و انجماد 

 

همانطور که قبلا گفته شد،ماده تغییر فاز دهنده انرژی را به صورت گرمای نهان ذوب ذخیره می کند. این مواد به میزان 5 الی 14 برابر موادی مانند سنگ یا آب که به صورت محسوس می توانند انرژی را در خود ذخیره کنند،ذخیره می کنند.

 

انتخاب نوع PCM بستگی به کاربرد و دمای طراحی سیستم دارد.دمای عملکرد سیستم جهت گرمایش یا سرمایش بایستی متناسب با دمای تغییر فاز PCM باشد. ظرفیت بالای ذخیره سازی انرژی حرارتی سبب میسر شدن ساخت ذخیره کننده های کوچک گردیده است و این ویژگی باعث کاربردی تر شدن این سیستم ها در مراکز صنعتی و تجاری که با محدودیت ابعادی مواجه هستند،شده است]6[. هر چه گرمای نهان ذوب وچگالی PCM بالاتر باشد ابعاد سیستم ذخیره کننده کوچک تر خواهد شد که این امر خود کمتر شدن تغییرات حجم به هنگام تغییر فاز با فشار بخار پایین را به دنبال دارد و نگرانی ها در مورد بروز مشکلات زیست محیطی را کاهش می دهد.

 

1-5  انواع مختلف مواد تغییر فاز دهنده

 

پارافین های آلی،که بیشتر به اسید های چرب معروف هستند، فراوان ترین PCM ها با خواص بسیار متغیر هستند. بر خلاف پارافین ها که دارای تشابه خواص هستند، هر کدام از این مواد دارای ویژگی های منحصر به فرد خود می باشند. از جمله می توان به بالا بودن گرمای نهان ذوب،سطح سمی بودن متغیر و عدم تعادل در دمای بالا اشاره کرد. مشکل این نوع مواد بالا بودن هزینه آنها در قیاس با پارافین هاست تا دو برابر و نیم است، همچنین اسیدها دارای خورندگی نسبی هستند.

 

PCM های غیرآلی نیز که بیشتر از مواد آلی معمولی هستند،موادی هستند که دارای ترکیبات کربن در ساختار خود نیستند.کاربرد این مواد در خنک کاری های شدید پدیده هائیست که تغییرات دمائی منظمی ندارند. از مشکلات عمومی PCM های غیر آلی، بیش از حد سرد شدن و بی ثباتی دمائی آنها می باشد. به هنگام انجماد باید مشکل بیش از حد سرد شدن PCM به طور کامل بررسی و حل گردد. ژانگ و همکاران]9,10,11[ با ترکیب کردن این مواد با مواد افزودنی هسته ای که دارای ساختمان کریستالی بوده و قابلیت حل بالایی را در PCM دارد،درصدد رفع این مشکل برآمدند.

 

همانطور که در قبل اشاره شد،دیگر دسته بندی که بر اساس دمای تغییر فاز می باشد،PCM  ها را به سه دسته:یوتکتیک، هیدارت نمک ها و مواد آلی تقسیم می کند. یوتکتیک ها نمک های محلول در آب هستند که دمای تغییر فاز آنها کمتر از صفر درجه سلسیوس است. هیدارت نمک ها یا نمک های هیدارته شده، نمک هایی هستند که دمای تغییر فاز آنها بالای صفر درجه سلسیوس و در محدوده 20-40 درجه سلسیوس است.هیدارت نمک ها از مهم ترین گروه PCM ها هستند که به طور گسترده برای سیستم های ذخیره انرژی گرمایی نهان استفاده می شوند . از ویژگی های مطلوب می توان به گرمای نهان ذوب بالا،هدایت گرمایی نسبتا بالا، خورندگی کم،کم بودن میزان سمی بودن،تغییر حجم کم در هنگام ذوب،سازگاری با مخازن پلاستیکی و همچنین ارزان بودن آنها اشاره کرد]12[.

 

مشکل اصلی این نوع PCM ها از آنجایی که دارای نرخ هسته گذاری پایین هستند می بایست فوق تبرید شوند و به همین دلیل انرژی به جای تخلیه در دمای ذوب،در دمای پایین تری تخلیه می شود و نتیجتا پدیده نامطلوب فوق تبرید شدن رخ می دهد. همچنین یکی دیگر از معایب این مواد،ذوب شدن آن به صورت نامتجانس است یعنی هنگامی که نمک کاملا در آب هیدراسیون در نقطه ذوب حل نشود.

 

برای کاربردهای تجاری و صنعتی، PCM ها باید داخل یک پوشش آب بندی شده قرار گیرند.دمای کاری رایج ترین PCM ها بین 40- تا 117+ درجه سانتیگراد است.این مواد را می توان مطابق شکل 1-3 به صورت لوله با پوششی از جنس پلی اتیلن بسته بندی نمود تا بتوان با به کار بردن آن در مخزن جاذب انرژی حرارتی،حرارت را به سیال موجود در سیستم (آب یا هوا) منتقل کرد. مطابق شکل 1-3 بایستی بین بسته های PCM فاصله باشد تا سیال مذکور به راحتی در فواصل آنها جریان یابد و تبادل انرژی حرارتی انجام شود.

 

شکل 1-3 : مخزن جاذب انرژی محتوی PCM

 

1-6  فرایند تغییر فاز

 

تغییر فاز می تواند به فرم های زیر صورت می گیرد: جامد- جامد، جامد- مایع، جامد-گاز، مایع-گاز و بالعکس. در تبدیل جامد-جامد،گرما هنگام تغییر حالت بلورین ماده، ذخیره می شود. درتغییر فازجامد-جامد، مایع یا گازی تولید نشده و نیاز به حبس داخل کپسولی نیست، اما به رغم تمامی این مزایا، تعداد کمی از این مواد تغییر فاز دهنده جامد-جامد شناخته شده می باشند.

 

تبدیل جامد- مایع گرمای نهان کمتری نسبت به مایع-گاز دارد اما با تغییرکمتری درحجم همراه است (در حدود10 % یا کمتر) بنابراین جهت استفاده در سیستم های ذخیره انرژی گرمایی، مقرون به صرفه ترمی باشند. بنابراین کلیه سیستم های ذخیره انرژی نهان می بایست دست كم دارای سه جزء زیر باشند]13[:

 

1. ماده ی تغییر فازدهنده مناسب که ذوب آن در محدوده مطلوب باشد.

 

1. سطح مبدل حرارتی مناسب

 

1. محفظه نگهدارنده سازگار با ماده ی تغییر فازدهنده