مطالعه ترموکمپرسور بخار به‌منظور کاهش مصرف انرژی در خط تولید شکر به روش دینامیک سیالات محاسباتی

ماشین های کشاورزی

مقاله 10، دوره 10، شماره 2 - شماره پیاپی 20، 1399، صفحه 241-253   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jam.v10i2.76872

نویسندگان

عادل رضوانی وند فنائی؛ علی حسن پور^* ؛ علی محمد نیکبخت

گروه مکانیک بیوسیستم، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

ترموکمپرسور به‌وسیله قسمت همگرا- واگرا عمل فشرده‌سازی سیال ثانویه را انجام می‌دهد. سادگی و نداشتن بخش متحرک، از جمله مزیت‌های آن نسبت به کمپرسورهای مکانیکی است. فهم جامع از چگونگی عملکرد در داخل ترموکمپرسور، برای استفاده عملی از آن فوق‌العاده مفید خواهد بود. ویژگی‌های ترمودینامیکی جریان‌های ورودی و تغییرات آن‌ها در خروجی، مانند فشار، دما و سرعت نیازمند انجام شبیه‌سازی عددی می‌باشد. در این مطالعه از دینامیک سیالات محاسباتی و کدهای تجاری انسیس فلوئنت برای نمایش جریان داخل ترموکمپرسور در جهت استفاده در کارخانه تولید شکر استفاده شده است. حلگر بر مبنای چگالی به‌عنوان حلگر جریان انتخاب شد و شرط مرزی نوع "فشار ورودی" برای هر دو جریان اولیه و ثانویه در ورودی و شرط مرزی "فشار خروجی" برای مرز خروجی جریان اختلاطی اعمال گردید. از تابع دیواره‌ی استاندارد در نزدیکی دیواره استفاده شد. نتایج نشان داد که در بخش تخلیه ترموکمپرسور، فشار از 1/0 بار به 32/0 بار تقویت شد و دما افزایشی در حدود 25 درجه نسبت به جریان ثانویه داشت. همچنین عدد ماخ به حدود 15/0 کاهش یافت. برای درک بهتر پدیده اتفاق افتاده در داخل ترموکمپرسور تصاویر گرافیکی آورده شد. در کانتور مربوط به عدد ماخ ابتدا جریان به‌صورت فراصوت ایجاد شد، سپس با گذر از بخش سطح ثابت یک شوک اتفاق افتاد و جریان در دیفیوزر به‌صورت فروصوت درآمد. در انتها، نتیجه‌گیری شد که دینامیک سیالات محاسباتی از پتانسیل خوبی برای پیش‌بینی عملکرد یک ترموکمپرسور به‌منظور استفاده در یک کارخانه تولید شکر برخوردار است.

کلیدواژه‌ها

انرژی مصرفی؛ ترموکمپرسور؛ دینامیک سیالات محاسباتی؛ روش حجم محدود

مراجع

1. Chen, F., C. F. Liu, and J. Y. Yang. 1994. Supersonic flow in the second-throat ejector–diffuser system. Journal of Spacecraft and Rockets 31 (1): 123-129.

2. Fan, J., J. Eves, H. M. Thompson, V. V. Toropov, N. Kapur, and D. Copley. 2011. Computational fluid dynamic analysis and design optimization of jet pumps. Computers & Fluids 46: 212- 217.

3. Giacomelli, F., G. Biferi, F. Mazzelli, and A. Milazzo. 2016. CFD Modeling of the Supersonic Condensation inside a Steam Ejector. Energy Procedia 101: 1224-1231.

4. Gyarmathy, G. 1963. On the growth rate of droplets in a supersaturated atmosphere. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik 14 (13): 280-293.

5. Gyarmathy, G. 1976 .Condensation in flowing steam, a von-Karman institute book on two-phase steam flow in turbines and separators. Hemisphere 127-89.

6. Han, B., Z. Liu, H. Wu, and Y. Li. 2014. Experimental study on a new method for improving the performance of thermal vapor compressors for multi-effect distillation systems. Desalination 344: 391-3955.

7. Kantrowitz, A. 1951. Nucleation in very rapid vapor expansions. The Journal of Chemical Physics 19:1097-1100.

8. Khalid, K. A., M. A. Antar, A. Khalifa, O. A. Hamed. 2018. Allocation of thermal vapor compressor in multi effect desalination systems with different feed configurations. Desalination 426: 164-173.

9. Kim, S. D., I. S. Jeong, and D. J. Song. 2007. A computational analysis of unsteady transonic/ supersonic flows over backward facing step in air jet nozzle. Journal of Mechanical Science and Technology 21 (2): 336-348.

10. McDonald, J. E. 1962. Homogeneous nucleation of water vapor condensation: I. Thermodynamic aspects. American Journal of Physics 30: 870-877.

11. MyoungKuk, J., T. Utomo, J. Woo, Y. H. Lee, H. M. Jeong, and H. S. Chung. 2010. CFD investigation on the flow structure inside thermo vapor compressor. Energy 35: 2694-2702.

12. Naddi, F., S. A. Mehdizadeh, and U. N. Zonuz. 2017. Comparing between predicted output temperature of flat-plate solar collector and experimental results: computational fluid dynamics and artificial neural network. Journal of Agricultural Machinery 7 (1): 298-311. (In Farsi).

13. Pianthong, K., W. Seehanam, M. Behnia, T. Sriveerakul, and S. Aphornratana. 2007. Investigation and improvement of ejector refrigeration system using computational fluid dynamics technique. Energy Conversion and Management 48: 2556-2564.

14. Rezvanivandefanayi, A., and A. M. Nikbakht. 2015. A CFD Study of the Effects of Feed Diameter on the Pressure Drop in Acyclone Separator. International Journal of Food Engineering 11: 71-77.

15. Riffat, S. B., G. Gan, and S. Smith. 1996. Computational fluid dynamics applied to ejector heat pumps. Applied Thermal Engineering 16: 291-297.

16. Rusly, E., and L. Aye. 2005. CFD analysis of ejector in a combined ejector cooling system. International Journal of Refrigeration 28: 1092-1100.

17. Shari, N., M. Boroomand, and R. Kouhikamali. 2012. Wet steam flow energy analysis within thermo-compressors. Energy 47: 609-619.

18. Sharifi, N., and M. Boroomand. 2013. An investigation of thermo-compressor design by analysis and experiment. Part 2. Development of design method by using comprehensive characteristic curves. Energy Conversion and Management 69: 228-237.

19. Simpson, D. A., and A. J. White. 2005. Viscous and unsteady flow calculations of condensing steam in nozzles. International Journal of Heat and Fluid Flow 26: 71-79

20. Young, J. B. 1982. The spontaneous condensation of steam in supersonic nozzles. Physicochemical Hydrodynamics 3 (1): 57-82.

21. Young, J. B. 1992. Two-dimensional non-equilibrium wet-steam calculations for nozzles and turbine cascades. Journal of Turbomachinery 114: 569-578.