بررسی تجربی و شبیه سازی عددی جریان در لوله ورتکس word

فهرست مطالب

عنوانصفحه

فهرست مطالب.. هشت

فهرست شکل‌ها.. دوازده

فهرست جدول‌ها.. هفده

فهرست علائم اختصاری.. هجده

علائم یونانی.. بیست

پانویس ها.. بیست­و­یک

چکیده.. 1

فصل اول: مقدمه

1-1-مقدمه‌ای بر لوله ورتکس.. 2

1-2-برخی از کاربردهای لوله ورتکس.. 3

1-2-1-کاربردهای خنک ساز موضعی.. 4

1-2-2-کاربردهای گرما ساز موضعی.. 5

1-2-3-تجهیزات آزمایشگاهی لوله ورتکس.. 6

1-2-4-تهویه مطبوع شخصی.. 6

1-3-نظریه‌های رایج در مورد لوله ورتکس.. 7

1-4-تحلیل نظری لوله ورتکس.. 7

1-4-1-تحلیل ترمودینامیکی سیستم لوله ورتکس.. 7

1-4-1-1-قانون بقای جرم.. 8

1-4-1-2-قانون اول ترمودینامیک.. 8

1-4-1-3-قانون دوم ترمودینامیک.. 9

1-4-2-راندمان‌های سیستم لوله ورتکس[2].. 12

1-4-2-1-راندمان‌های گرمایی برای سیستم لوله ورتکس.. 12

1-4-2-2-راندمان برای یک انبساط ایزنتروپیک کامل.. 13

1-4-2-3-راندمان کارنو.. 13

هشت

1-4-2-4-معیاری بر مبنای سیکل کارنو.. 14

1-5-پژوهش پیش روی.. 14

فصل دوم: ادبیات تحقیق

2-1-مقدمه.. 15

2-2-مطالعات تجربی.. 16

2-2-1-سیال عامل.. 16

2-2-2-هندسه.. 16

2-2-3-میدان جریان داخلی.. 20

2-2-3-1-آشکارسازی جریان.. 20

2-2-3-2-توزیع‌های سرعت در داخل لوله ورتکس.. 21

2-2-3-3-اثبات تجربی جریان گردشی ثانویه.. 22

2-3-توسعه تئوری.. 25

2-3-1-انتقال حرارت اصطکاکی.. 25

2-4-مدل جریان صوتی در لوله ورتکس.. 27

2-5-مطالعات دینامیک سیالات محاسباتی.. 29

فصل سوم: معادلات حاکم

3-1-مقدمه.. 33

3-2-تاریخچه CFD.. 34

3-3-کاربردهای CFD.. 34

3-4-معادلات ناویر استوکس.. 34

3-5-معادلات حاکم در بخش دینامیک سیالات محاسباتی.. 35

3-5-1-مدل ..... 36

3-5-2-مدل ...... 40

3-5-3-مدل ............... 41

3-6-شرایط مرزی.. 43

فصل چهارم: نتایج

4-1-مقدمه.. 44

4-2-بررسی تجربی.. 44

4-2-1-نتایج بررسی تجربی.. 47

4-2-2-اندازه‌گیری خطا.. 48

نه

4-2-3-منابع خطا.. 48

4-2-3-1-خطای شخص.. 48

4-2-3-2-خطای دستگاه.. 48

4-2-3-3-خطای منظم (سیستماتیک).. 48

4-2-3-4-خطای کاتوره ای(نامنظم).. 48

4-2-4-خطای مطلق.. 48

4-2-4-1-عدم قطعیت و آنالیز خطا.. 48

4-3-شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی.. 53

4-3-1-روش بکار گرفته‌شده.. 53

4-3-2-استفاده از نتایج تجربی.. 54

4-3-3-مدل دینامیک سیالات محاسباتی لوله ورتکس.. 54

4-3-4-شرایط مرزی.. 59

4-3-4-1-ورودی نازل‌ها.. 59

4-3-4-2-خروجی سرد.. 59

4-3-4-3-خروجی گرم.. 59

4-3-5-مطالعه استقلال از شبکه.. 60

4-3-6-انطباق شبکه.. 62

4-3-7-نتایج عملکرد مدل های توربولانسی.. 63

4-3-7-1-کانتورهای دما.. 66

4-3-7-2-توزیع های سرعت مماسی ،و محوری .... 72

4-3-7-3-کانتور چگالی.. 73

4-3-7-4-کانتورهای عدد ماخ.. 74

4-3-7-5-نمایش خطوط جریان.. 76

4-3-8-خطای شبیه سازی.. 79

4-3-9-نمودار باقیمانده.. 80

4-3-10-عملکرد شبکه با ساختار نامنظم.. 82

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادها

5-1-نتیجه‌گیری.. 85

5-2-پیشنهادها.. 86

پیوست.. 88

ده

گسسته سازی معادلات CFD حاکم.. 88

رویکرد حل در نرم‌افزار Ansys CFX 14.5. 91

فرایند انطباق شبکه[52].. 92

روش‌شناسی CFD.. 94

ایجاد هندسه و شبکه.. 94

تعریف فیزیک مدل.. 94

حل مسئله.. 94

باقیمانده‌ها.. 95

نمایش نتایج در پس پردازنده.. 95

مراجع.. 96

یازده

فهرست شکل‌ها

شکل ‏1‑1: طرحی از یک نمونه لوله ورتکس [3]. 3

شکل ‏1‑2: لوله ورتکس تجاری ساخت شرکت Exair [3]. 4

شکل ‏1‑3تفنگ هوای سرد ساخت ITW Vortec [3]. 4

شکل ‏1‑4: کابین کنترل لوله ورتکس ساخت Exair [3]. 5

شکل ‏1‑5: توصیف خنک کاری کابین کنترل توسط لوله ورتکس [3]. 5

شکل ‏1‑6: خنک‌سازی لنز دوربین عکاسی توسط لوله ورتکس [3]. 5

شکل ‏1‑7: تجهیزات آزمایشگاهی لوله ورتکس ساخت P.A.Hilton Ltd [4]. 6

شکل ‏1‑8:تهویه مطبوع شخصی ساخت ITW Vortec [5]. 6

شکل ‏1‑9:حجم کنترل بصورت خطوط پر رنگ نشان داده‌شده در شکل می‌باشد. 8

شکل ‏1‑10: دمای خروجی سرد و گرم به صورت تابعی از کسر سرد براساس تحلیل ترمودینامیکی با در نظر گرفتن ضریب فرایندهای برگشت ناپذیر، در ، و . اعداد روی نمودار نشان دهنده مقادیر ضریب می باشند.. 11

شکل ‏2‑1: طرح‌واره یک نمونه از لوله ورتکس جریان موافق. 17

شکل ‏2‑2: طرح‌واره لوله ورتکس با جریان گاز برگشتی[24]. 18

شکل ‏2‑3: نمودار دما بر حسب کسر سرد ارائه‌شده توسط گائو و همکاران مربوط به استفاده از 4 نازل در ورودی و فشار ورودی 5.75 بار و استفاده از نیتروژن به عنوان سیال عامل[2]. 19

شکل ‏2‑4: نمودار دما بر حسب کسر سرد ارائه‌شده توسط گائو و همکاران مربوط به استفاده از 2 نازل در ورودی و فشار ورودی 5.75 بار و نیتروژن به عنوان سیال عامل[2] 19

شکل ‏2‑5: نازل‌های استفاده‌شده در کار دینسر و همکاران. a)دونازله b)چهار نازله c)6 نازله[28]. 20

شکل ‏2‑6تجهیزات آزمایشگاهی جهت اندازه‌گیری جریان‌های داخلی در لوله ورتکس[2] 21

شکل ‏2‑7:نتایج تجربی مربوط به سرعت‌های مماسی داخلی نرمالیزه شده در موقعیت‌های شعاعی و محوری مختلف بی بعد شده در لوله ورتکس برای [2] 22

شکل ‏2‑8: نتایج تجربی مربوط به سرعت‌های محوری داخلی بی بعد شده در موقعیت‌های شعاعی و محوری مختلف، در لوله ورتکس برای [2]. 22

شکل ‏2‑9:a)جریان‌های چرخشی محیطی و داخلی b)حلقه‌های محیطی و چرخشی ثانویه [6] 23

شکل ‏2‑10: طرح‌واره الگوی جریان در یک لوله ورتکس بر اساس نظریه انتقال حرارت اصطکاکی [1]. 26

شکل ‏2‑11: گردابه اجباری و گردابه آزاد [1]. 26

شکل ‏2‑12: دانسیته طیفی سیگنال صوتی به دست آمده توسط کوروساکا [26] 27

شکل ‏2‑13: گراف توصیف‌کننده رفتار جدایی انرژی و صوتی خروجی از لوله کوروساکا به صورت القاء افزایش فرکانس [26]. 28

شکل ‏2‑14: مقایسه نتایج شبیه‌سازی عددی به صورت تغییرات دمای خروجی سرد و گرم بر حسب کسر سرد با نتایج تجربی در کار اسکای و همکاران [46]. 30

دوازده

شکل ‏2‑15: نمودار خط جریان سرعت محوری بر روی محور مرکزی لوله ورتکس با نسبت نزدیک به ناحیه خروجی سرد[45]. 30

شکل ‏2‑16: (a) الگوی جریان نزدیک به خروجی سرد که نشان از وجود جریان ثانویه دارد(b) الگوی جریان نزدیک به خروجی سرد که نشان از عدم وجود جریان ثانویه دارد[45]. 31

شکل ‏2‑17: نمودار تاثیر قطر مخروط ناقص بهینه بر بهبود عملکرد جدایی دما توسط لوله ورتکس، ارائه شده توسط رفیعی و صادقیآزاد[50]. 32

شکل ‏4‑1: تجهیزات لوله ورتکس مدل433R ساخت شرکت P.A.Hilton Ltdموجود در آزمایشگاه 45

شکل ‏4‑2: طرح‌واره سیکل جریان هوا در تجهیزات لوله ورتکس با مدل تجاری R433 ساخت شرکت P.A.Hilton. 1)ترموکوپل شماره یک 2) فشارسنج گیج (0تا 21 کیلوپاسکال) 3)ترموکوپل شماره 2. 46

شکل ‏4‑3: ابعاد هندسی لوله ورتکس به همراه نازل موجود در محفظه ورتکس 46

شکل ‏4‑4: نمودار دمای (درجه کلوین)خروجی‌های سرد و گرم لوله ورتکس بر حسب کسر سرد به همراه میله خطا. 51

شکل ‏4‑5: نمودار فشار (کیلوپاسکال) خروجی سرد برحسب کسر سرد به همراه میله خطا 52

شکل ‏4‑6: نمودار راندمان آیزنتروپیک بر حسب کسر سرد به همراه میله خطا 52

شکل ‏4‑7: نمودار ضریب عملکرد به عنوان گرماساز و سرماسازبر حسب کسر سرد به همراه میله خطا. 53

شکل ‏4‑8: مدل دینامیک سیالات محاسباتی لوله ورتکس. 56

شکل ‏4‑9: نماهای مختلف از شبکه ایجاد شده با ساختار منظم. 58

شکل ‏4‑10: نمودار مطالعه استقلال از شبکه بر اساس اختلاف دمای استاتیک خروجی گرم و سرد. 60

شکل ‏4‑11: المان شبکه مرحله 1. 61

شکل ‏4‑12: المان شبکه مرحله 6. 62

شکل ‏4‑13: استفاده از تکنیک انطباق شبکه. 62

شکل ‏4‑14: مقایسه نتایج عملکرد سه مدل توربولانسی مختلف با نتایج تجربی که محور عمودی نشان‌دهنده دمای هوای خروجی سرد و گرم( و)، و محور افقی نشان‌دهنده کسر سرد () می‌باشد.. 63

شکل ‏4‑15: نمودار مقایسه ضریب عملکرد برحسب کسر سرد مدل استاندارد و نتایج تجربی. 64

شکل ‏4‑16: نمودار ضریب عملکرد برحسب کسر سرد مدل و نتایج تجربی. 64

شکل ‏4‑17: نمودار ضریب عملکرد برحسب کسر سرد مدل و نتایج تجربی 65

شکل ‏4‑18: نمودار مقایسه راندمان ایزنتروپیک برحسب کسر سرد برای سه مدل توربولانسی و نتایج تجربی. 65

شکل ‏4‑19: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در، .................... 66

شکل ‏4‑20: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و .................... 66

شکل ‏4‑21: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و .................... 66

شکل ‏4‑22: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ..................... 67

سیزده

شکل ‏4‑23: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ...................... 67

شکل ‏4‑24: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ...................... 67

شکل ‏4‑25: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ...................... 67

شکل ‏4‑26: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ....................... 68

شکل ‏4‑27: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و .................... 68

شکل ‏4‑28: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و .................... 68

شکل ‏4‑29: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و .................... 68

شکل ‏4‑30: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ..................... 69

شکل ‏4‑31: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ..................... 69

شکل ‏4‑32: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ...................... 69

شکل ‏4‑33: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ...................... 69

شکل ‏4‑34: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ...................... 70

شکل ‏4‑35: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ....................... 70

شکل ‏4‑36: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل،در و ...................... 70

شکل ‏4‑37: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و .................... 70

شکل ‏4‑38: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ..................... 71

چهارده

شکل ‏4‑39: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ...................... 71

شکل ‏4‑40: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ...................... 71

شکل ‏4‑41: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ...................... 71

شکل ‏4‑42: کانتور دمای استاتیک بر روی صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس برای مدل در و ...................... 72

شکل ‏4‑43: توزیع سرعت مماسی برای مدل در و در فواصل از خروجی گرم. 73

شکل ‏4‑44: توزیع سرعت محوری برای مدل در و در فواصل از خروجی گرم. 73

شکل ‏4‑45: کانتور چگالی برای مدل در ...................................... 74

شکل ‏4‑46: کانتور چگالی برای مدل در ...................................... 74

شکل ‏4‑47: کانتور چگالی برای مدل در ...................................... 74

شکل ‏4‑48: کانتور عدد ماخ برای مدل در الف) صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس ب) صفحه عبوری از محفظه ورتکس. 75

شکل ‏4‑49: کانتور عدد ماخ برای مدل در الف) صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس ب) صفحه عبوری از محفظه ورتکس. 75

شکل ‏4‑50: کانتور عدد ماخ برای مدل در الف) صفحه عبوری از محور مرکزی لوله ورتکس ب) صفحه عبوری از محفظه ورتکس. 76

شکل ‏4‑51: خطوط جریان به همراه کانتور عدد ماخ، که نشان دهنده ایجاد گلوگاه همگرا-واگرا به عنوان دلیل افزایش عدد ماخ به بالاتر از یک میباشد. 76

شکل ‏4‑52: خطوط جریان برای مدل در و .................... 77

شکل ‏4‑53: خطوط جریان برای مدل در و .................... 77

شکل ‏4‑54: خطوط جریان برای مدل در و .................... 78

شکل ‏4‑55: خطوط جریان برای مدل در و ..................... 78

شکل ‏4‑56: خطوط جریان برای مدل در و ...................... 78

شکل ‏4‑57: خطوط جریان برای مدل در و ...................... 78

شکل ‏4‑58: خطوط جریان برای مدل در و ...................... 79

شکل ‏4‑59: خطوط جریان برای مدل در و ....................... 79

شکل ‏4‑60: نمودار باقیمانده مربوط به جرم و ممنتوم برای مدل ...... 80

شکل ‏4‑61: نمودار باقیمانده مربوط به انتقال حرارت برای مدل ...... 81

شکل ‏4‑62: نمودار باقیمانده مربوط به توربولانس برای مدل ...... 81

شکل ‏4‑63: شبکه با تعداد 884957 سلول و ساختار نامنظم. 82

پانزده

شکل ‏4‑64: نمودار باقیمانده جرم و ممنتوم مربوط به شبکه با ساختار نامنظم 83

شکل ‏4‑65: نمودار باقیمانده انتقال حرارت مربوط به شبکه با ساختار نامنظم 83

شکل ‏4‑66: نمودار باقیمانده مربوط به شبکه با ساختار نامنظم. 84

شکل پ‑1: ایجاد حجم کنترل در یک شبکه دو بعدی[52]. 88

شکل پ‑2: المان شبکه. 89

شکل پ‑3: روند کلی حل نرم‌افزارCFX برای یک جریان تراکم پذیر، مغشوش و دائم با گرادیان‌های دمایی. 92

شکل پ‑4: فلوچارت مربوط به فرایند انطباق شبکه[52]. 93

شکل پ‑5: ماژول‌های نرم‌افزاری موجود در نرم‌افزارAnsys CFX14.5. 94

شانزده

فهرست جدول‌ها

جدول ‏3‑1: مزایا و معایب مدل توربولانسی ..... 40

جدول ‏3‑2: مزایا و معایب مدل توربولانسی ...... 41

جدول ‏4‑1: نتایج تجربی به دست آمده در فشار و دمای ورودی به ترتیب 680 کیلوپاسکال و 290 درجه کلوین. 47

جدول ‏4‑2: عدم قطعیت برای کسر سرد، ضریب عملکرد سرماساز، ضریب عملکرد گرماساز و راندمان آیزنتروپیک در کسرهای سرد مختلف در فشار و دمای ورودی به ترتیب 680 کیلوپاسکال و 290 درجه کلوین. 50

جدول ‏4‑3: مطالعه استقلال از شبکه. 61

جدول ‏4‑4: درصد خطای شبیه سازی با استفاه از سه مدل توربولانسی نسبت به نتایج اندازه گیری تجربی. 79

هفده

فهرست علائم اختصاری

مساحت سطح مقطع نازل های ورودی()

سرعت صوت()

ضریب عملکرد سرما ساز

ضریب عملکرد پمپ گرمایی

ضریب عملکرد کارنو

ظرفیت حرارتی ویژه در فشار ثابت()

ظرفیت حرارتی ویژه در حجم ثابت()

قطر خروجی سرد لوله ورتکس(m)

قطر لوله ورتکس(m)

آنتالپی ویژه سکون()

آنتالپی ویژه استاتیک()

انرژی داخلی بر واحد جرم()

انرژی جنبشی مغشوش

طول لوله ورتکس(m)

عدد ماخ

دبی جرمی()

بردار نرمال سطح

هجده فشار(Pa)

فشار سکون(Pa)

عدد پرانتل

انرژی حرارتی()

نرخ انتقال حرارت(w)

مختصات قطبی

ثابت ویژه گاز

آنتروپی ویژه جریان()

نرخ افزایش آنتروپی سیستم()

نرخ تولید آنتروپی()

دمای سکون()

دمای استاتیک()

زمان()

بردار سرعت()

مؤلفه‌ی x بردار سرعت()

مولفه x نوسانی بردار سرعت()

مولفه x متوسط بردار سرعت()

حجم()

مؤلفه‌ی y بردار سرعت()

نوزده مولفه y نوسانی بردار سرعت()

مولفه y متوسط بردار سرعت()

سرعت متوسط در رابطه (3-8)()

مؤلفه‌ی z متوسط بردار سرعت()

مؤلفه‌ی z بردار سرعت()

مؤلفه‌ی z نوسانی بردار سرعت()

توان(W)

ارتفاع نسبت به مرجع()

اختلاف دمای آیزنتروپیک

ماکزیمم اختلاف دما بین گاز ورودی و گاز سرد

علائم یونانی

نفوذ()

نفوذ مغشوش موثر()

ضریب اتمیسیته

نرخ اتلاف مغشوش بر واحد جرم()

لزجت()

کسر سرد

لزجت مغشوش موثر()

بیست لزجت مغشوش()

لزجت سینماتیکی()

لزجت سینماتیکی مغشوش()

چگالی()

نرخ تولید آنتروپی بی بعد شده

راندمان کارنو

تنش برشی ویسکوز()

تنش برشی رینولدز()

مقیاس زمانی معکوس مرتبط با مغشوش()

مولفه y متوسط بردار سرعت()

مؤلفه‌ی z متوسط بردار سرعت()

پانویس ها

ورودی
خروجی سرد
خروجی گرم
کارنو
سرما ساز
پمپ گرمایی
محیط
آیزنتروپیک
بیست­و­یک نقاط انتگرال گیری

چکیده

لوله ورتکس یک وسیله ساده مکانیکی است که فاقد قسمت‌های متحرک بوده و یکی از تجهیزات مورد استفاده در سیستم تبرید می‌باشد، که در آن یک سیال پرفشار از طریق نازل‌های ورودی وارد لوله ورتکس شده و به دو جریان با دمای کمتر، و بیشتر از دمای ورودی منشعب می‌شود بدین صورت می‌توان دماهای تا 40- درجه سانتی‌گراد را ایجاد کرد. لوله ورتکس به عنوان خنک­ساز موضعی و گرماساز موضعی، دارای کاربرد وسیعی در صنعت می­باشد که از آن جمله می­توان به مواردی چون: خنک کردن قالب‌های تزریق پلاستیک، عملیات رطوبت­زدایی گاز، عملیات آب­بندی حرارتی، خنک کردن کابین کنترل محفظه­های الکتریکی خنک­سازی لنزهای دوربین عکاسی، تنظیمات چسب­ها و لحیم­ها و خشک کردن جوهر روی برچسب­ها و بطری­ها اشاره کرد. اگرچه با وجود اینکه تاکنون مطالعات تجربی زیادی بر روی عملکرد لوله ورتکس صورت گرفته است اما همچنان فهم فیزیکی جریان و مکانیزم پدیده جدایش دمای گاز یا بخار عبوری از آن به دلیل پیچیدگی جریان و ناسازگاری نتایج تجربی به طور کامل استنباط نشده است. در این پایان نامه با هدف ثبت دماهای سرد و گرم ناشی از پدیده جدایش دما بر حسب کسر سرد ابتدا به بررسی تجربی عملکرد یک نمونه از تجهیزات آزمایشگاهی لوله ورتکس با مدل 433R ساخت شرکت P.A.Hilton واقع در بریتانیا پرداخته شده است. نتایج بررسی تجربی شامل نمودارهای دمای استاتیک خروجی سرد و گرم برحسب کسر سرد و همچنین نمودار فشار خروجی سرد برحسب کسر سرد می­باشد. با استفاده از دمای استاتیک خروجی سرد و گرم نمودارهای ضرسب عملکرد گرماساز و سرماساز لوله ورتکس و همچنین راندمان آیزنتروپیک نیز با توجه به روابط موجود ارائه شده است. عدم قطعیت نتایج بررسی تجربی نیز با استفاده از رابطه تجربی هولمن محاسبه شده و به صورت میله خطا بر روی نمودارها رسم شده است. در ادامه با استفاده از روش های دینامیک سیالات محاسباتی موجود در نرم افزار ANSYS CFX14.5، شبیه سازی عددی جریان حالت دائم،تراکم پذیر و سه بعدی با ایجاد شبکه محاسباتی دارای ساختار منظم و شش­وجهی، برروی هندسه لوله ورتکس فوق الذکر و با استفاده از مدل های مغشوشی چون استاندارد و انجام شده است. ضمن اینکه شرط مرزی ورودی و خروجی سرد اعمال شده، منطبق بر شرایط آزمایشگاهی می باشد در حالی­که در خروجی گرم از شرط مرزی مصنوعی استفاده شده است. مطالعه استقلال از شبکه نیز با تمرکز بر روی اختلاف دمای استاتیک خروجی گرم و سرد لوله ورتکس به انجام رسیده است. شرح و چگونگی انجام پدیده جدایش دما و الگوی جریان به عنوان هدف شبیه سازی انجام شده در این پایان نامه مطرح نمی باشد. در پایان نمودارهای دمای استاتیک خروجی سرد و گرم، ضریب عملکرد و راندمان آیزنتروپیک ناشی از نتایج شبیه سازی عددی با نتایج بررسی تجربی مقایسه شده است. ضمن اینکه نتایج شبیه­سازی عددی به صورت کانتورهای دمای استاتیک، دمای سکون، چگالی عدد ماخ توزیع­های سرعت و همچنین نمایش خطوط جریان با تمرکز بر روی موقعیت نقطه سکون و ناحیه شکل­گیری جریان ثانویه نیز ارائه شده است.

کلمات کلیدی: لوله ورتکس، بررسی تجربی، دینامیک سیالات محاسباتی، جدایش دما، کسر سرد، مدل استاندارد، و ،

1 فصل اول
: مقدمه

1-1-مقدمه‌ای بر لوله ورتکس

لوله ورتکس[1] که بعضاً با نام‌هایی چون لوله ورتکس رنک–هیلش یا لوله رنک-هیلش شناخته می‌شود اختراع مبتکرانه ایست که ایده آن توسط دو دانشمند فرانسوی و آلمانی به نام‌های جورجس جوزف رنک[2] و ردلف هیلش[3] به طور مستقل در خلال سال‌های جنگ جهانی دوم در اروپا مطرح شد[1].

لوله ورتکس یک وسیله ساده مکانیکی است که فاقد قسمت‌های متحرک بوده و یکی از تجهیزات مورد استفاده در سیستم تبرید می‌باشد، که در آن یک سیال پرفشار ازطریق نازل‌های ورودی وارد لوله ورتکس شده و به دو جریان با دمای کمتر، و بیشتر از دمای ورودی منشعب می‌شود، (بدون هیچ‌گونه واکنش شیمیایی یا دخالت منبع خارجی انرژی ) بدین صورت می‌توان دماهای تا 40- درجه سانتی‌گراد را ایجاد کرد. لوله ورتکس شامل بخش‌هایی از قبیل یک یا چند نازل ورودی یک محفظه ورتکس[4] یک اوریفیس در انتهای سرد[5] شیر کنترل در انتهای گرم[6] و یک لوله می‌باشد (شکل1-1). وقتی سیال پرفشار بصورت مماس توسط نازل‌های ورودی به محفظه ورتکس تزریق می‌شود، یک جریان چرخشی در محفظه ورتکس ایجاد می‌شود. وقتی چرخش جریان سیال به سمت مرکز محفظه ورتکس ادامه پیدا می‌کند، سیال منبسط و سرد می‌شود. در محفظه ورتکس بخشی از سیال به سمت خروجی گرم می‌چرخد و بخش دیگر سیال مستقیماً در خروجی سرد موجود است. بخشی از گاز موجود در لوله ورتکس به خاطر مؤلفه محوری سرعت بر می‌گردد و از انتهای گرم به انتهای سرد حرکت می‌کند. در خروجی گرم سیال با دمای بیشتری خارج می‌شود درحالی‌که در خروجی سرد، سیال دمای کمتری در مقایسه با دمای ورودی دارد[2]. لوله ورتکس در مقایسه با دیگر وسایل موجود در سیکل تبرید مزایایی دارد از قبیل: سادگی، فقدان اجزای متحرک، عدم حضور جریان الکتریسیته، عدم انجام هیچ‌گونه واکنش شیمیایی، نگهداری آسان، تأمین فوری هوای سرد، پایداری عملکرد (به خاطر استفاده از فولاد ضد زنگ و محیط کار تمیز) و تنظیم دما. همچنین وابستگی به گاز فشرده و بازده گرمایی پایین ممکن است برخی از کاربردهای آن را محدود کند.

 1-2-برخی از کاربردهای لوله ورتکس

اگرچه با وجود اینکه تا کنون اثبات قاطعانه‌ای در مورد حالت انتقال حرارت در داخل لوله ورتکس صورت نگرفته و علیرغم درک ناقص این پدیده،اخیراً لوله ورتکس، با کاربرد خنک سازهای موضعی در مقیاس‌های کوچک و بصورت تجاری توسعه زیادی یافته‌اند. امروزه تعداد قابل‌توجهی از شرکت‌های تولیدکننده وجود دارند که از تئوری لوله ورتکس بصورت کاربردی و موثر به عنوان یک راه حل در کاربردهای صنعتی بهره می‌گیرند. از جمله این شرکت‌ها می‌توان به Exair و ITW Vortec اشاره کرد که هر دو در ایالات‌متحده مشغول به فعالیت می‌باشند. این شرکت‌ها محصولات خود را بر اساس محدوده مختلفی از کاربردها و بر اساس کیفیت‌های زیر از فن آوری لوله ورتکس عرضه می‌کنند:

• سرمایش پاک
• نگهداری آسان –فقدان اجزای متحرک
• دمای پایدار خروجی
• سرمایش، بدون نیاز به الکتریسیته و مبرد
• قابل‌اطمینان، فشرده و سبک‌وزن
• قیمت ارزان

با وجود اینکه موارد زیادی برای کاربردهای لوله ورتکس، به عنوان خنک ساز و گرماساز موضعی وجود دارند (که در ادامه تشریح خواهد شد) اما همچنان نیز می‌توان ایده‌های مبتکرانه‌ای در مورد کاربردهای لوله ورتکس ارائه داد. در شکل (1-2) یک نمونه از مدل تجاری لوله ورتکس ساخت شرکت Exair نشان داده شده است.

جزوه دینامیک سیالات محاسباتی - دانشگاه میشیگان

دینامیک سیالات محاسباتی CFD

جزوه کامل

شامل 24 فصل و 262 صفحه

دوره دینامیک سیالات محاسباتی به زبان ساده جریان پوازیه Poiseuille Flow

این گزارش در مورد شبیه سازی جریان در یک لوله است که نتایج آن با نتایج تحلیلی نیز مقایسه شده است .هر قسمت گزارش به تفکیک بصورت مفصل شرح داده شده است...این گزارش 82 صفحه بوده و گزارشی کامل در زمینه CFD است. این دوره بصورت پیوسته هست و هر سری یک مثال جدید ارائه می شود.

1) مقدمه : معرفی دینامیک سیالات محاسباتی و فرآیند کلی آن، نحوه گسسته سازی معادلات حاکم، آشفتگی و مدل‌های عددی، نحوه مدل‌سازی جریان نزدیک دیوار‌ه، مدلسازی نواحی ساکن و دوار یا متحرک و ...

2) معرفی مسئله جریان پوازیه

3) آموزش گام به گام ایجاد مدل هندسی در ANSYS Design Modeler 16.0

4) آموزش نامگذاری سطوح

5) آموزش گام به گام ایجاد شبکه بندی در ANSYS Meshing

6) آموزش گام به گام شبیه سازی بوسیله ANSYS CFX 16.0

7) آموزش حل مسئله در CFX Solver Manager 16.0

8) آموزش خروجی گرفتن از نتایج در پس پردازش CFD Post 16.0

بهینه سازی پارامتری بوسیله تابع هدف برای یک مخلوط گر

هر قسمت گزارش به تفکیک بصورت مفصل شرح داده شده است...این گزارش 75 صفحه بوده و گزارشی کامل در زمینه CFD است. این دوره بصورت پیوسته هست و هر سری یک مثال جدید ارائه می شود.

1) مقدمه : معرفی دینامیک سیالات محاسباتی و فرآیند کلی آن، نحوه گسسته سازی معادلات حاکم، آشفتگی و مدل‌های عددی، نحوه مدل‌سازی جریان نزدیک دیوار‌ه، مدلسازی نواحی ساکن و دوار یا متحرک و ...

2) معرفی مسئله مخلوطگر

3) آموزش گام به گام ایجاد مدل هندسی در ANSYS Design Modeler 17.0

4) آموزش نامگذاری سطوح

5) آموزش گام به گام ایجاد شبکه بندی در ANSYS Meshing

6) آموزش گام به گام شبیه سازی بوسیله ANSYS CFX 17

7) آموزش حل مسئله در CFX Solver Manager 17

8) آموزش خروجی گرفتن از نتایج در پس پردازش CFD Post 17

در این گزارش همچنین روش های اتصال دو سطح مشترک در CFX شرح داده شده است.

شبیه سازی CFD جذب CO2 از گاز سنتز بوسیله غشای الیاف توخالی word

 واژه‌های کلیدی: تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی، جداسازی دی اکسید کربن، مدل سازی، شبیه سازی، دینامیک سیالات محاسباتی، شرایط خشک و خیس شوندگی جزئی

 فهرست مطالب

فصل 1: مقدمه و کلیات تحقیق1

1-1- کلیات2

1-1-1- فرآیندهای جداسازی2

1-1-2- تعریف غشا2

1-1-3- مواد تشکیل دهنده غشا4

1-1-4- انواع فرآیندهای غشائی4

1-1-5- تماس دهنده غشائی الیاف توخالی8

1-2- تشریح مسئله9

1-3- ضرورت تحقیق در این زمینه10

1-4- مزایا و معایب تماس دهنده های غشائی12

1-5- اهدف شبیه سازی13

فصل 2: ادبیات و پیشینه تحقیق15

2-1- مقدمه16

2-2- تاریخچه جداسازی بوسیله ی غشا17

2-3- پیشینه تحقیق در زمینه غشا18

2-3-1- مطالعات آزمایشگاهی19

2-3-2- مطالعات تئوری20

2-3-3- مطالعات بر روی مدل سازی و شبیه سازی مسئله22

فصل 3: روش تحقیق24

3-1- مقدمه25

3-1-1- دینامیک سیالات محاسباتی (CFD)25

3-1-2- تعریف25

3-1-3- کاربرد26

3-1-4- مزایا27

3-1-5- معایب27

3-2- بخش های مختلف شبیه سازی یک مسئله با تکنیک CFD28

3-2-1- پیش پردازنده28

3-2-2- حل کننده29

3-2-3- پس پردازنده29

3-3- آشنایی با نرم افزار Comsol Multiphysics30

فصل 4: مدل سازی غشائی31

4-1- مقدمه32

4-2- معادلات حاکم33

4-2-1- جریان حلال درون لوله34

4-2-2- جریان حلال درون پوسته41

4-3- توزیع سرعت47

4-3-1- توزیع سرعت بخش لوله47

4-3-2- توزیع سرعت بخش پوسته47

4-4- سرعت واکنش شیمیایی48

فصل 5: ارزیابی مدل و تجزیه تحلیل نتایج49

5-1- مقدمه50

5-2- داده های ورودی ثابت50

5-3- داده های ورودی محاسبه شده51

5-3-2- شعاع فرضی52

5-3-3- انحنا53

5-3-4- غلظت های ورودی در مخلوط گازی و محلول آبی54

5-3-5- ضرایب نفوذ55

5-4- یافته های بدست آمده از شبیه سازی55

5-4-1- اعتبار سنجی مدل57

5-4-2- شماتیک توزیع غلظت در تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی60

5-4-3- پروفایل سرعت در تماس دهنده های غشائی الیاف توخالی70

5-4-4- پروفایل غلظت شعاعی اجزا74

5-4-5- پروفایل غلظت محوری اجزا77

5-4-6- بررسی شماتیک تاثیر افزایش شدت جریان حجمی حلال بر روی توزیع غلظت دی اکسید کربن و مونو اتانول آمین...................................80

5-4-7- بررسی درصد حذف دی اکسید کربن83

5-4-8- تاثیر مقدار تخلخل بر غلظت دی اکسید کربن خروجی از جریان گاز85

5-4-9- تاثیر تغییر ضخامت غشا بر روی غلظت دی اکسید کربن خروجی از جریان گاز86

5-4-10- تاثیر تغییر شعاع داخلی لیف بر روی غلظت دی اکسید کربن خروجی از جریان گاز87

5-4-11- تاثیر تعداد لیف ها بر غلظت دی اکسید کربن خروجی از جریان گاز88

5-4-12- مقایسه محلول آبی مونو اتانول آمین با سایر حلال ها89

5-4-13- تاثیر شدت جریان مخلوط گاز94

5-4-14- تاثیر دما بر روی عملکرد سیستم95

5-4-15- مش بندی سیستم97

فصل 6: نتیجه گیری و پیشنهادات100

6-1- مقدمه101

6-2- نتایج بدست آمده در حالت جریان حلال در بخش لوله101

6-3- نتایج بدست آمده در حالت جریان حلال در بخش پوسته102

6-4- پیشنهادات برای پژوهش های آینده103

فصل 7: مراجع104

فصل 8: پیوست‌ها110

 فهرست اشکال

شکل (1-1) شماتیک جداسازی سیستم دو فازی بوسیله تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی [2].3

شکل (1-2) ریخت شناسی غشای الیاف توخالی، a: سطح مقطع b: لایه بیرونی پوسته c: سطح داخلی d: سطح خارجی [5].9

شکل (1-3) مقایسه انتشار گاز دی اکسید کربن در پنج کشور جهان و اتحادیه ی اروپا،که از مصرف سوخت های فسیلی و تولید سیمان بوجود آمده اند ]7[.11

شکل (1-4) انتشار گاز دی اکسید کربن در کشورهای صنعتی و در حال توسعه،که از مصرف سوخت های فسیلی و تولید سیمان بوجود آمده اند ]7[.12

شکل (2-1) تعداد اختراعات ثبت شده در اتحادیه اروپا، برای جداسازی دی اکسید کربن ]10[.17

شکل (4-1) شماتیکجریان ناهمسو در تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی (تماس دهنده ی غشائی گاز-حلال) ]36[.33

شکل (4-2) شماتیک دو بعدی تماس دهنده ی غشائی لیف توخالی برای حالت جریان حلال در لوله.35

شکل (4-3) شماتیک بخش غشا در شرایط خیس شوندگی جزئی برای حالت جریان حلال در لوله.37

شکل (4-4) شماتیک دو بعدی تماس دهنده غشائی لیف توخالی برای حالت جریان حلال در پوسته.41

شکل (4-5) شماتیک بخش غشا در شرایط خیس شوندگی جزئی برای حالت جریان حلال در پوسته43

شکل (5-1) سطح مقطع حفره های متخلخل غشا در انحناهای مختلف [11].53

شکل (5-2) اعتبار سنجی مدل شبیه سازی شده برای حالت جریان حلال در لوله58

شکل (5-3) اعتبار سنجی مدل شبیه سازی شده برای حالت جریان حلال در پوسته.58

شکل (5-4) شماتیک دو بعدی توزیع غلظت دی اکسید کربن در لیف توخالی و دبی حجمی حلال l/min005/062

شکل (5-5) شماتیک سه بعدی غلظت دی اکسید کربن در لیف توخالی و دبی حجمی حلال l/min 005/062

شکل (5-6) شماتیک دو بعدی توزیع غلظت مونو اتانول آمین در لیف توخالی و دبی حجمی حلال l/min 005/064

شکل (5-7) شماتیک سه بعدی توزیع غلظت مونو اتانول آمین در لیف توخالی و دبی حجمی حلال l/min 005/064

شکل (5-8) شماتیک دو بعدی غلظت یون در دبی حجمی حلال l/min005/065

شکل (5-9) شماتیک دو بعدی توزیع غلظت دی اکسید کربن در لیف توخالی و دبی حجمی l/min020/066

شکل (5-10) شماتیک سه بعدی توزیع غلظت دی اکسید کربن در لیف توخالی و دبیحجمی l/min020/067

شکل (5-11) شماتیک دو بعدی توزیع غلظت مونو اتانول آمین در لیف توخالی و دبی حجمی حلالl/min020/068

شکل (5-12) شماتیک سه بعدی توزیع غلظت مونو اتانول آمین در لیف توخالی و دبی حجمی حلال l/min020/069

شکل (5-13) شماتیک دو بعدی توزیع غلظت در دبی حجمی جریان حلال l/min020/069

شکل (5-14) شماتیک پروفایل سرعت برای جریان در لوله70

شکل (5-15) پروفایل سرعت جریان گاز با دبی حجمی l/min010/071

شکل (5-16) پروفایل سرعت جریان حلال در شدت جریان های حجمی مختلف71

شکل (5-17) شماتیک توزیع سرعت برای جریان در پوسته72

شکل (5-18) توزیع سرعت جریان گاز در شدت جریان حجمی گاز l/min 010/073

شکل (5-19) پروفایل سرعت جریان حلال در دبی های حجمی مختلف73

شکل (5-20) توزیع غلظت بی بعد شعاعی دی اکسید کربن در وسط لیف توخالیz = L/2)) و در حالت جریان حلال در لوله75

شکل (5-21) توزیع غلظت بی بعد شعاعی مونو اتانول آمین و یون کربامات در خروجی جریان حلال (z = L) و درحالت جریان حلال در لوله75

شکل (5-22) توزیع غلظت بی بعد شعاعی دی اکسید کربن در وسط لیف توخالیz = L/2)) و در حالت جریان حلال در پوسته76

شکل (5-23) توزیع غلظت بی بعد شعاعی مونو اتانول آمین و یون کربامات در خروجی جریان حلال (z = 0) و در شرایط جریان حلال در پوسته76

شکل (5-24) توزیع غلظت محوری دی اکسید کربن در مرز گاز- غشا برای حالت جریان حلال در لوله78

شکل (5-25) توزیع غلظت محوری مونو اتانول آمین و یون کربامات در مرز جریان حلال- غشا و در شرایط حلال در لوله78

شکل (5-26) توزیع غلظت محوری دی اکسید کربن در مرز گاز- غشا برای حالت جریان حلال در پوسته79

شکل (5-27) توزیع غلظت محوری مونو اتانول آمین و یون کربامات در مرز جریان حلال- غشا و در شرایط حلال در پوسته79

شکل (5-28) شماتیک توزیع غلظت بی بعد دی اکسید کربن در شرایط جریان حلال در لوله81

شکل (5-29) شماتیک توزیع غلظت بی بعد دی اکسید کربن در شرایط جریان حلال در پوسته81

شکل (5-30) شماتیک توزیع غلظت بی بعد مونو اتانول آمین در شرایط جریان حلال در لوله82

شکل (5-31) شماتیک توزیع غلظت بی بعد مونو اتانول آمین در شرایط جریان حلال در پوسته82

شکل (5-32) درصد حذف دی اکسید کربن بر حسب شدت جریان حجمی حلال و شرایط حلال در لوله83

شکل (5-33) درصد حذف دی اکسید کربن بر حسب شدت جریان های حجمی حلال و شرایط حلال در پوسته84

شکل (5-34) تاثیر مقدار تخلخل بر روی غلظت بی بعد دی اکسید کربن خروجی از جریان گاز در شدت جریان حجمی حلال l/min 010/085

شکل (5-35) تاثیر نسبت انحنا به تخلخل بر روی درصد حذف در شدت جریان حجمی حلال l/min 010/086

شکل (5-36) تاثیر تغییر ضخامت بی بعد غشا بر درصد حذف دی اکسید کربن در شدت جریان حجمی l/min 010/0و جریان حلال در لوله87

شکل (5-37) تاثیر شعاع بی بعد داخلی لیف بر درصد حذف دی اکسید کربن در شدت جریان حجمی حلال l/min 010/088

شکل (5-38) تاثیر تعداد لیف ها بر درصد حذف دی اکسید کربن در شدت جریان حجمی l/min 010/0و حلال در لوله89

شکل (5-39) مقایسه درصد حذف دی اکسید کربن در محلول های آبی مختلف91

شکل (5-40) مقایسه شار مولی دی اکسید کربن در محلول های آبی مختلف91

شکل (5-41) مقایسه ضریب انتقال جرم کلی دی اکسید کربن در محلول های آبی مختلف92

شکل (5-42) مقایسه درصد حذف دی اکسید کربن در محلول های آبی مختلف92

شکل (5-43) مقایسه شار مولی دی اکسید کربن در محلول های آبی مختلف93

شکل (5-44) مقایسه ضریب انتقال جرم کلی دی اکسید کربن در محلول های آبی مختلف93

شکل (5-45) تاثیر شدت جریان گاز بر روی درصد حذف و غلظت دی اکسید کربن از جریان گاز خروجی95

شکل (5-46) تاثیر دما بر روی عملکرد سیستم در شرایط حلال در لوله96

شکل (5-47) تاثیر دما بر روی عملکرد سیستم در شرایط حلال در پوسته97

شکل (5-48) مش بندی استفاده شده در شبیه سازی98

فهرست جداول

جدول (1-1) پارامترهای موثر در انواع فرآیندهای غشائی [1].7

جدول (1-2) برخی از فرآیندهای غشائی و نیروی رانش آنها [1].8

جدول (5-1) ابعاد تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی [36]50

جدول (5-2) پارامترهای عملیاتی ورودی [36]51

جدول (5-3) پارامترهای محاسبه شده52

جدول (5-4) تعیین درصد خطای نسبی برای حالت جریان حلال در پوسته59

جدول (5-5( تعیین درصد خطای نسبی برای حالت جریان حلال در بخش پوسته60

جدول (5-6) متوسط قدر مطلق خطای نسبی برای حالت جریان حلال در لوله و پوسته60

جدول (5-7) بررسی استقلال از مش برای جریان حلال در بخش های لوله و پوسته99

فهرست علائم اختصاری
نماد های لاتین
AARE(%)	متوسط قدر مطلق خطای نسبی
a	ثابت معادله ورستیگ
C	غلظت (mol/m3)
D	قطر داخلی مدول
Di	ضریب نفوذ مولکولی (m2/s)
H	ثابت قانون هنری (mol/m3.Pa)
J	شار مولی (mol/m2.s)
K	ضریب انتقال جرم کلی (m/s)
k	ثابت سرعت واکنش (m3/mol.s)
L	طول تماس دهنده (m)
M	وزن مولکولی (g/mol)
Mʹ	وزن مولکولی (kg/mol)
m	حلالیت فیزیکی CO2 در محلول
n	تعداد لیف ها
Q	شدت جریان حجمی (l/min, m3/s)
P	فشار (Pa, bar)
RE(%)	درصد خطای نسبی
R	سرعت واکنش (mol/m3.s)
شعاع درونی مدول (m)
r	شعاع (m)
r1	شعاع داخلی لیف (m)
rw	شعاع خیس شوندگی در حالت حلال در لوله (m)
rwʹ	شعاع خیس شوندگی در حالت حلال در پوسته (m)
r2	شعاع خارجی لیف (m)
r3	شعاع فرضی (m)
T	دما (°C,K)
t	زمان (min & s)
v	سرعت جریان (m/s)
Vij	حجم نفوذ مولکولی
x	کسر مولی
W	محیط خیس شونده ی غشا (m)
w	کسر وزنی
w´	ضخامت غشا
z	محور (m)

نماد های یونانی
e	تخلخل
f	کسر حجمی فضای خالی تماس دهنده
m	ویسکوزیته (cp)
t	انحنا (پیچ و خم)
r	چگالی (gr/l)
D	اختلاف
h	بازده حذف
l	پارامتر برخورد دو جسم
s	قطر برخورد ()
W	برخورد موثر

زیر نویس ها
amine	محلول آمین
eff	موثر
exp	آزمایشگاهی
gas	گاز
I	اجزاء (CO2, N2, MEA, H2O)
in	ورودی
kn	نادسن
LM	متوسط لگاریتمی
m	مخلوط
max	بیشینه
mem	غشا
nw	بخش خشک غشا
out	خروجی
p	حفره ها ی غشا
per	محیط
Shell	فضای میان لیف و پوسته تماس دهنده
simu	شبیه سازی
sol	حلال
tube	بخش درونی لیف
w	بخش خیس شونده غشا
0	شرایط اولیه

بالا نویس ها
ˉ	متوسط
˷	متوسط
E	مقدار اضافی

  فصل 1:
فصل 1: مقدمه و کلیات تحقیق

 1-1- کلیات

1-1-1- فرآیندهای جداسازی[1]

فرآیندهای جداسازی در بیشتر فرآیندهای صنعتی و شیمیایی، از مهم ترین بخش های آن است. و بخش جدانشدنی در واحد های بالادستی و پایین دستی بشمار می رود. روش های بسیار زیادی برای جداسازی اجزای سیال در مقیاس های مختلف بکار رفته است. بطور کلی مبنای همه این روش ها را می توان در سه دسته ی زیر خلاصه کرد:

1. جداسازی بوسیله انتقال جرم بین فازها

2. جداسازی بوسیله انتقال جرم درون یک فاز

3. جداسازی بوسیله واکنش شیمیایی

در دسته اول، حداقل دو فاز وجود دارد. یکی از فازها، فاز اصلی بوده و فاز دوم بوسیله گرما و یا کاری که به سیستم اعمال می شود، باعث انتقال جرم و جداسازی مد نظر می شود. تقطیر و جذب از این نمونه بشمار می روند. در دسته دوم، جداسازی اجزای مورد نظر از یک فاز و با عبور از یک حائل انجام می پذیرد. و در این دسته تغییر فازی صورت نمی گیرد، بنابراین مصرف انرژی نسبت به دسته ی اول، بسیار پایین تر است. انواع فرآیندهای غشائی[2] را می توان در این دسته قرار داد. همانطوری که از اسم دسته سوم مشخص است، انتقال جرم با واکنش شیمیایی همراه است و بزرگی واکنش بسیار تعیین کننده است.

1-1-2- تعریف غشا

یکی از انواع فرآیندهای جداسازی، که هنوز هم به عنوان یک تکنولوژی جدید محسوب می شود، فرآیندهای غشائی است. شکل 1-1، شماتیک جداسازی مخلوط دو جزئی بوسیله غشا را نشان می دهد. اگر چه انجام تعریف مشخص از غشا دشوار و شاید نادرست باشد ولی وجود تیغه یا حائل انتخابی بین دو فاز و به منظور جداسازی، در حالت کلی را می توان به عنوان تعریف غشا بیان کرد. البته باید به این نکته توجه داشت که این تعریف ماکروسکوپیک[3] غشا است در حالی که جداسازی سیال در مقیاس میکروسکوپیک[4] انجام می گیرد. و تعریف مذکور هیچ چیزی در مورد ساختار غشا را بیان نمی کند. غشاها می توانند نازک یا ضخیم، دارای ساختار همگن[5] و یا ناهمگن[6]، انتقال ذرات می تواند بصورت فعال[7] و یا غیرفعال[8] باشد. انتقال بصورت غیرفعال، بوسیله اختلاف غلظت، فشار و دما می تواند به رانش درآید [1]:

تماس دهنده های غشائی الیاف توخالی[9]، یکی از انواعتماس دهنده های غشائی هستند که به دو سیال اجازه می دهد که در تماس مستقیم، بدون پراکنده شدن یک فاز در فاز دیگر در کنار هم قرار گیرند. در تماس دهنده های غشائی که برای جذب گاز استفاده می شود، مخلوط گازی در یک سمت غشای ریزمتخلخل، در حالی که جاذب مایع (حلال) در سمت دیگر غشا ریز متخلخل جریان می یابد. و عملیات انتقال جرم با جذب یک یا چند جزء گازی توسط حلال انجام می گیرد. شکل 1-1، شماتیک جداسازی مخلوط دو جزئی بوسیله ی غشا را نشان می دهد.

شکل (1-1) شماتیک جداسازی سیستم دو فازی بوسیله تماس دهنده ی غشائی الیاف توخالی [2].

1-1-3- مواد تشکیل دهنده غشا

انتخاب مواد غشا بر روی جذب و پایداری شیمیایی تحت شرایط عملیاتی، یک عامل موثر بشمار می رود. از میان مواد پلیمری پلی پروپیلن (PP)[10]، پلی اتیلن (PE)[11] و پلی تترا فلئورو اتیلن (PTFE)[12] محبوب ترین مواد برای ساختن غشاها محسوب می شوند. این مواد به علت خاصیت آبگریزی که دارند، حلال را به درون خود نفوذ نمی دهند و باعث افزایش شار انتقال جرم می شوند. پلی وینیلیدن دی فلئورو (PVDF)[13] نیز نوع دیگری از مواد پلیمری است که برای ساخت غشا بکار می رود. این ماده مقاومت گرمایی و شیمیایی بسیار خوبی دارد و موجب می شود محلول های شیمیایی از قبیل اسیدها، آلکانول آمین ها و هالوژن ها باعث خوردگی در غشا نشوند. مواد غیرآلی نیز می توانند جایگزین مواد پلیمری شوند. این مواد دارای مقاومت شیمیایی و گرمایی بهتری نسبت مواد پلیمری هستند ولی معمولا با خیس شوندگی غشا همراه است ]3[.