مقدمه. دانشيار- نويسنده مخاطب (ايميل: كارشناس ارشد (ايميل:

Transcript

1 نشريه علمي- پژوهشي سوخت و احتراق سال سوم شماره اول بهار و تابستان 1389 بررسي عددي و آزمايشگاهي تاثير موانع جريان بر افزايش بازده گرمايي بخاري گازي **2 *1 سيامك حسين پور و شهرام كاشاني اصل 1- دانشگاه صنعتي سهند تبريز دانشكده مهندسي مكانيك - 2 اداره اوزان و آزمايشگاههاي فلزي اداره كل استاندارد و تحقيقات صنعتي آذربايجان شرقي (دريافت: 1388/11/13 پذيرش: 1389/6/14) در اين مقاله نتايج تحقيق در مورد بهبود بازده گرمايي بخاري گازي دودكشدار اراي ه شده است. با تعبيه موانع مناسب درون كوره و در مسير جريان گازهاي داغ خروجي از خروج سريع گازهاي حاصل از احتراق از طريق دودكش جلوگيري شده و زمان ماند گازهاي داغ در داخل بخاري افزايش و به تبع آن بازده بخاري گازي بهبود مييابد. در اين تحقيق با استفاده از نرم افزار فلوي نت جريان و انتقال گرماي گازهاي حاصل از احتراق براي هندسههاي مختلف پيشنهادي براي موانع جريان شبيهسازي شده و تاثير شكل موانع در بازده گرمايي بخاري بررسي شده است. مانع مناسب با بيشترين افزايش بازده گرمايي انتخاب شده و در نهايت با ساخت و انجام آزمونهاي آزمايشگاهي نتايج حاصل از نرمافزار تاييد شده است و در نهايت بازده بخاري گازي ساخت شركت دونار خزر مدل از مقدار 76/2 به 82/9 درصد ارتقا داده شده است. واژگان كليدي: بازده گرمايي بخاري گازي هندسه موانع جريان آزمون بازده بخاري گازي شبيهسازي عددي مقدمه بحث انرژي و استفاده بهينه از انواع مختلف آن از ديرباز مورد توجه بشر بوده است. امروزه به دليل گستردگي مصرف گاز هر گام در راستاي طراحي مناسب وسايل گازسوز كاهش مصرف سوخت و به تبع آن صرفهجويي ارزي كلاني را در كل كشور در پي خواهد داشت. نتيجه اين تحقيق در ساخت انواع بخاري گازي دودكش دار كاربرد داشته و قابل تعميم در انواع بخاريهاي گازي با ظرفيتهاي از 4500 تا كيلوكالري است. بخاري گازي كه براي گرم كردن منازل استفاده ميشود از طريق مشعلي كه احتراق مخلوط گاز و هوا در سطح آن صورت ميگيرد توليد گرما ميكند. گرماي توليد شده ابتدا به صورت افزايش دماي گازهاي حاصل از احتراق و مقدار اندكي انرژي تشعشعي از شعله ظاهر ميشود و سپس در حين حركت اين گازها به سمت دودكش به هر سه شكل مختلف انتقال گرما به بدنه بخاري گازي منتقل شده و پس از انتقال به هواي اطراف باعث گرمايش منزل ميشود. گازهاي حاصل از احتراق در حالت كلي شامل بخار آب دي اكسيد كربن و مواد خنثي مثل نيتروژن هوا و هواي اضافي خواهد بود. بخاريهاي گازسوز بر اساس نحوة تخليه محصولات احتراق و نحوة ورود هواي احتراق در دو دسته بخاري دودكشدار و بدون دودكش دستهبندي ميشوند. در اين مطالعه بخاريهاي از نوع اول بررسي شده و هدف كلي افزايش بازده گرمايي بخاري بوده است. بازده بخاري به صورت نسبت كل گرماي داده شده به محيط به كل انرژي آزاد شده از احتراق (ارزش گرمايي سوخت در جرم سوخت مصرف شده) تعريف ميشود. در كشورهاي ديگر مصرف گاز طبيعي به صورت لوله كشي گاز شهري به دليل نبود منابع گازي كمتر متداول است و در نتيجه به اين مساله به صورتي كه در اين تحقيق پرداخته شده توجه نشده است. بيشتر بخاري گازيهاي موجود در كشور نيز بدون توجه به اين مساله و با توجه به چند نمونه خارجي طراحي و ساخته شدهاند. شايان ذكر است بر اساس مدارك معتبر موجود كليه بخاريهاي گازي موجود در كشور داراي بازده گرمايي زير 78 درصدند[ 3-1 ]. * دانشيار- نويسنده مخاطب (ايميل: (Hossainpour@sut.ac.ir ** كارشناس ارشد (ايميل: (Kashaniasl@yahoo.com

2 سيامك حسين پور و شهرام كاشاني اصل موضوعي كه در تحقيق حاضر بيشتر نمود پيدا ميكند تاكيد مجدد بر اهميت شبيهسازي مساي ل قبل از اقدام به آزمايش است كه هزينه و زمان انجام تحقيق را به طور چشمگيري كاهش ميدهد. در اين تحقيق از نرم افزار فلوي نت براي شبيهسازي اين پديده استفاده شده است. بخاري گازي كه براي گرمكردنمنزل از طريق جابهجا كردن هواي گرم طراحي شده است شامل قسمتهاي مختلفي است. 1) مشعل: قسمتي كه اختلاط كامل هوا و سوخت در آن انجام شده و شعله احتراقي در سطح خروجي آن تشكيل ميشود. 2) سطوح كاري: قسمتهايي از بخاري كه به دليل طراحي آن دماي بالاتري دارند. سطوح ديگر كه در حين استفادة عادي بخاري با دست تماس پيدا ميكنند مثلا سطوح نزديك به شيرهاي كنترل دماي پايينتري خواهند داشت. شكل (1) سطوح كاري را نشان ميدهد. 3) سطوح مانع: سطوحي كه در بخاري تعبيه ميشود تا جهت و اندازه سرعت جريان هوا و يا مخلوط اوليه و يا گازهاي حاصل از احتراق را تغيير دهند. 4) كلاهك تعديل جريان خروجي: مانعي كه در مسير تخليه محصولات احتراق قرار گرفته و از تاثير شديد جريان مكش دودكش بر شعله احتراقي جلوگيري كرده و همچنين اثر منفي جريان هواي معكوس دودكش بر ثبات شعله مشعل و احتراق آن را به كمترين مقدار ميرساند. ساختمان بخاري طوري ساخته ميشودكه داراي دوام و استحكام كافي بوده و در برابر كج شدن خميدگي تاب خوردگي و ساير نواقص احتمالي مقاوم باشد. بنابراين ضخامت ورق مورد استفاده در ساخت بدنه آن محدوديت ويژهاي خواهد داشت[ 3 ]. همچنين به جهت تزي ين و افزايش عمر كاري بخاري معمولا سطوح مختلف آن توسط پوششها و رنگها و مواد زد زنگ پوشش داده ميشوند. همه اين عوامل باعث افزايش مقاومت مسير انتقال گرماي احتراق ميشوند ولي اجتناب ناپذيرند. يكي از روشهاي افزايش بازده گرمايي بخاري استفاده از موانعي در مسير جريان گازهاي خروجي و به تاخير انداختن خروج گازها از مدتها پيش مطرح بوده است. به طوري كه مدلهاي مختلف بخاري از شكلهاي ساده اين موانع در داخل كوره استفاده ميكنند. از طرفي نصب همين موانع از طريق افزايش افت فشار مسير باعث كاهش بازده احتراق و افزايش توليد مواد آلاينده ميشود[ 6-4 ]. شكل 1- سطوح گرماده روش انجام تحقيق مسي لهاي كه در اين تحقيق مد نظر قرار گرفته است بهينهسازي شكل و اندازه اين موانع جهت رسيدن به بيشترين بازده براي بخاري گازي با كمترين تغيير در افت فشار جريان بوده است. براي اين منظور در ابتدا مدل اوليه كوره با شرايط مرزي و ويژگيهاي تعيين شده با نرمافزار فلوي نت شبيهسازي شد. نتايج حاصل از آن با نتايج به دست آمده از طريق آزمون نمونه واقعي مقايسه شد. سپس با تكرار شبيهسازي حساسيت نتايج حل عددي نسبت به تغيير متغيرهاي ورودي مسي له مثل دماي شعله شرايط مرزي و ضرايب انتقال گرما كه بر اساس نتايج آزمايشگاهي تعيين ميشوند بررسي شد. دماي محل مورد نظر گرمايش 2

3 نشريه علمي- پژوهشي سوخت و احتراق سال سوم شماره اول بهار و تابستان كلوين دماي شعله 1000 كلوين (اندازهگيري دماي شعله با استفاده از دماسنج ويژه) و ضريب انتقال گرماي جابهجايي براي هوا 5 W/m 2 K (در شرايط متعارف در آزمايشگاه يا محل مورد نظر براي گرمايش جابهجايي اجباري هوا وجود ندارد) در نظر گرفته شده است. در نهايت بهترين مقاديري كه با استفاده از آنها نتايج شبيهسازي با نتايج آزمون منطبق ميشد انتخاب شد. سپس هفت مسي له تعريف شده با شكلهاي مختلف موانع با همان شرايط مرزي و ويژگيهاي مسي له اوليه در نرمافزار فلوي نت شبيهسازي شد و با بررسي نتايج به دست آمده از اين شبيهسازيها بهترين شكل مانع براي ساخت انتخاب شد. پس از ساخت و آزمون بخاري با مانع بهينه مقدار بازده گرمايي حاصل از شبيهسازي با خطاي اندكي مورد تاييد قرار گرفت. با استفاده از نرمافزار گمبيت (Gambit) ساختار كوره بخاري گازي اوليه و هفت شكل مختلف موانع پيشنهادي شبكهبندي شد. براي ايجاد شبكه مورد نياز از المانهاي نوع چهار وجهي استفاده شد. در شكل (2) طرحهاي مورد مطالعه موانع جريان براي افزايش بازده گرمايي بخاري گازي نشان داده شده است. شكل (2)- موانع مختلف استفاده شده: (a) بدون مانع (b) با موانع صفحات مورب (c) با موانع V شكل (d) با موانع صفحات مورب و افقي (e) با موانع بزرگ و تغييردرقطر سوراخهاي كوره (f) با تغييردر قطر سوراخه يا داخلي كوره و ايجاد كانال مخصوص (g) مدل نهايي آزمون بازده گرمايي در آزمايشگاه آزمونهاي اين تحقيق بر اساس استاندارد ملي شماره و با استفاده از تجهيزاتي كه در اين استاندارد مشخص شده و تحت ضوابط و شرايط مورد نياز براي اين كار انجام شده است. براي اين منظور مطابق دستورالعمل اين استاندارد دودكش مناسب براي بخاري نصب شده جريان گاز با شرايط تعيين شده تامين شده و وسايل اندازهگيري مورد نياز در محلهاي تعيين شده نصب شدهاند. آزمونها تحت فشار محيط و با طول دودكش مشخص شده در استاندارد انجام شدهاند و براي داي مي شدن شرايط آزمون ثبت نتايج يك ساعت پس از روشن كردن آن انجام شده است. براي حصول اطمينان از داي مي شدن شرايط تغييرات دماي گازهاي احتراقي توسط ترموكوپلي در داخل كوره به مدت 15 دقيقه مورد توجه قرار گرفته است و در طي اين مدت تغييرات آن بيشتر از ± 2/7 درجه سانتيگراد نبوده است. گازهاي احتراق خروجي از دودكش براي تعيين مقدار دي اكسيد كربن و مواد آلاينده خروجي توسط آناليزور گاز بررسي شده است. بازده گرمايي بخاري با روشهاي مختلفي بررسي و بيان ميشود. بهترين بيان در رابطه با روشهاي اندازهگيري مقايسه انرژي كل ايجاد شده با انرژي تلف شده از طريق دودكش است. از بررسي كسر جرمي محصولات احتراق خروجي از دودكش و دماي گاز خروجي ميتوان مقدار انرژي خارج شده از دودكش را در مقايسه با انرژي هواي محل گرمايش به دست آورد. بدين ترتيب بازده گرمايي بخاري به صورت رابطه زير بيان خواهد شد. η = m& gq E& L (1) 3

4 سيامك حسين پور و شهرام كاشاني اصل كه در آن &m g دبي جرمي سوخت مصرفي Q ارزش گرمايي سوخت و E & L تلفات انرژي از طريق دودكش بر واحد زمان است. مقدار تلفات دودكش بر حسب درصد از طريق رابطه تجربي داده شده در استاندارد شماره به صورت زير قابل محاسبه خواهد بود[ 1 ] E & L = T YCo2 (2) كه در آن T اختلاف دماي گاز خروجي و دماي هواي محل آزمون به كلوين و Y Co2 درصد كسر جرمي دي اكسيد كربن اندازهگيري شده توسط آناليزور گاز است. دما از طريق آناليزور گاز با دقت 2 رقم اعشار قابل اندازهگيري است. نتايج حاصل از آزمونهاي انجام شده بر روي مدل اوليه بخاري و مدل نهايي آن پس از بهينهسازي در جدول (1) آورده شده است. جدول 1- نتايج آزمايشگاهي بخاري گازي قبل و بعد از بهينهسازي مدل كوره دماي محل آزمون (K ( دي اكسيد كربن (%) دماي گاز خروجي (K ( بازده گرمايي 76/2 468/ 95 4/ 4 301/ 15 اوليه 82/9 447/ 85 8/ 2 298/ 85 نهايي معادلات حاكم (3) معادلات حاكم بر مسي له شامل معادلات بقاي جرم تكانه (Momentum) و انرژي از طريق روش عددي حجم محدود در مختصات سه بعدي توسط نرمافزار فلوي نت حل شدهاند. اين معادلات با فرضيات 1) جريان آرام 2) جريان داي مي 3) تراكم ناپذير 4) ناچيز بودن نيروهاي شناوري به صورت زير ساده ميشوند[ 9-7 ]. r.( ρ V r ) = 0 r r r r r r.( ρvv ) = P +.( μ V ) r 2 V r r r.( ρ( e + ) V ) =.( k T ) + q r 2 k (4) (5) ρ كه در آن و V r چگالي q r بردار سرعت P فشار μ ضريب گرانروي e انرژي داخلي بر واحد جرم ضريب هدايت گرمايي گاز گرماي منتقل شده از طريق تشعشع است. با توجه به اينكه دماي شعله احتراقي بالا بوده و ابعاد آن نيز قابل توجه است در اين مدلسازي سهم انرژي منتقل شده از شعله از طريق تشعشع نيز لحاظ شده است. ظرفيت گرمايي ويژه و ضريب هدايت گرمايي در نظر گرفته شده براي مواد مختلف در جدول (2) نشان داده شده است. جدول - 2 ظرفيت گرماي ويژه و ضريب هدايت گرمايي مواد ماده مخلوط گازهاي احتراقي و هوا شيشه فولاد ظرفيت گرماي ي ويژه (J/KgK) ضريب هدايت گرمايي (W/mK) / /48 حل عددي معادلات معادلات حاكم با استفاده از نرمافزار فلوي نت از طريق روش عددي حجم محدود و توسط روش حلكننده تفكيكي حل شدهاند. از روش سيمپل (SIMPLE) براي همبستگي معادلات بقاي تكانه و جرم استفاده شده است[ ]. حلكننده تفكيكي از زيرتخفيف relaxation) (under- براي كنترل تجديد مقادير محاسبه شده متغيرها در هر تكرار استفاده ميكند. ضرايب زيرتخفيف به كار رفته در اين مسي له براي فشار انرژي تكانه و جرم به ترتيب عبارتاند از: و 1 و معيار همگرايي در كليه 4

5 نشريه علمي- پژوهشي سوخت و احتراق سال سوم شماره اول بهار و تابستان 1389 مساي ل حل شده كاهش حداقل سه مرتبه در خطاي هر كدام از معادلات در نظر گرفته شده است. شكلهاي (3) تا (5) به ترتيب نمايش شبكهبندي در مدل نهايي كانتور دماي مدل نهايي (كلوين) در صفحه تقارن و كانتور دما (كلوين) در مدل نهايي بر روي سطح خارجي را نمايش ميدهند[ 13 و 14 ]. شكل 3- نمايش شبكهبندي در مدل نهايي شكل - 4 كانتور دماي مدل نهايي (كلوين) در صفحه تقارن شكل 5- كانتور دما (كلوين) بر روي سطح خارجي 5

6 سيامك حسين پور و شهرام كاشاني اصل شرايط مرزي دماي محل مورد نظر گرمايش 300 كلوين (دماي آزمايشگاهي متعارف 27 درجه سلسيوس است) دماي شعله 1000 كلوين (اندازهگيري دماي شعله با استفاده از دماسنج ويژه) و ضريب انتقال گرماي جابهجايي براي هوا 5 W/m 2 K (در شرايط متعارف در آزمايشگاه يا محل مورد نظر براي گرمايش جابهجايي اجباري هوا وجود ندارد) در نظر گرفته شده است و از سهم انتقال گرماي تشعشعي از بدنه بخاري به محيط اطراف در مقابل جابهجايي صرفنظر شده است. دبي جرمي گازهاي احتراق خروجي از مشعل در بيشترين توان آن و برابر كيلوگرم بر ثانيه فرض شده است. از شرط عدم لغزش بر روي تمامي ديوارهها استفاده شده است. شعله بخاري به صورت شرط مرزي با شار گرمايي ثابت در ديواره محترق كننده مدلسازي شده و در محل اتصال دودكش به بخاري از شرط مرزي نوع خروج فشار Outlet) (Pressure استفاده شده است. بررسي استقلال حل عددي براي بررسي استقلال نتايج از تعداد شبكهبندي دما فشار و سرعت چند نقطه مرجع از جمله سطح خروجي دودكش براي مدل اوليه در نظر گرفته شد و تاثير تعداد تكرار حل عددي و تعداد شبكه استفاده شده بر مقدار اين كميتها بررسي شد. بخشي از نتايج اين بررسيها به صورت دما بر حسب كلوين در سطح خروجي دودكش در شكلهاي (6) و (7) نشان داده شده است. در نهايت با توجه به اين بررسيها تعداد كل شبكه مورد نياز براي حصول جواب قابل اعتماد در حدود 1/80000 تعيين شد. نتايج شبيهسازي و مقايسه با نتايج آزمايشگاهي (6) در بين هفت مدل پيشنهادي كه با نرمافزار شبيهسازي شد مدل (g) كه دماي محصولات خروجي حاصل از احتراق در آن كمترين مقدار (455 كلوين) و بازده حاصل از نرمافزار بيشترين مقدار (79/53 درصد) را داشت به عنوان مدل بهينه يا نهايي انتخاب شد. دقت نتايج نظري را ميتوان با مقايسه با نتايج آزمايشگاهي سنجيد. براي اين كار خطاي نرمافزار به صورت زير تعريف شده است. بازده آزمايشگاهي/ (بازده نرمافزاري- بازده آزمايشگاهي) = خطاي نرمافزار دما فشار و سرعت گازهاي خروجي از دودكش از طريق شبيهسازي در جدول (3) آمده است. بازده مربوط به نتايج نظري و تجربي در جدول (4) مقايسه شدهاند. (كلوين) دما تعداد سلولهاي محاسباتي شكل - 6 نمايش استقلال دماي گازهاي خروجي از تعداد سلولهاي شبكه محاسباتي مدل (a) 6

7 نشريه علمي- پژوهشي سوخت و احتراق سال سوم شماره اول بهار و تابستان 1389 (كلوين) دما تعداد تكرار حل عددي نمايش استقلال دماي خروجي از تعداد تكرار مدل (a) شكل - 7 جدول - 3 دما فشار و سرعت گازهاي خروجي از دودكش از طريق شبيهسازي رديف مدل كوره تعداد شبكه دماي گازخروجي (K ( افت فشار mpa) ( سرعت m/s) ( بازده گرمايي 71/ / / a 1 75/ / / b 2 73/ / / c 3 75/ / / d 4 74/ / / e 5 78/ / / f 6 79/ / / g 7 مدل جدول - 4 مقايسه نتايج نظري و تجربي بازده گرمايي نرمافزاري بازده گرمايي آزمايشگاهي خطاي نرمافزار 87 76/ 2 75/ اوليه 53 ١/۴ 82/ 9 79/ نهايي 53 نتيجهگيري در اين تحقيق ابتدا از طريق مقايسه نتايج شبيهسازي با نتايج آزمايشگاهي اعتبار مدل براي كوره با شرايط اوليه با دقت بالايي تاييد شد. سپس چند مدل كوره جديد پيشنهاد و از طريق شبيهسازي عددي بهترين شكل مانع با بيشترين بازده تعيين شد و در نهايت در آزمايشگاه براي مدل نهايي دماي گازهاي حاصل از احتراق در خروجي دودكش 447/8 كلوين مقدار دي اكسيد كربن 8/21 درصد و بازده گرمايي 82/97 درصد به دست آمد. در مقايسه با مدل اوليه دماي گازهاي خروجي به اندازه 21/1 كلوين كاهش و دي اكسيد كربن به مقدار 3/81 درصد افزايش يافت و نتيجه نهايي اينكه بازده گرمايي بخاري گازي مدل پيشنهادي در اين تحقيق در آزمايشگاه به اندازه 6/27 درصد افزايش يافته و به مقدار 82/97 درصد رسيد. 7

8 سيامك حسين پور و شهرام كاشاني اصل مراجع موسسه استاندارد و تحقيقات صنعتي ايران بخاري گازي دودكشدار ويژگيها و روشهاي آزمون و دستورالعمل برچسب انرژي استاندارد ملي ايران به شماره نگهداري س "بهينهسازي مصرف سوخت بخاري گازي زميني و ارتقاي برچسب انرژي از D به E " پاياننامه كارشناسي ارشد دانشگاه صنعتي سهند موسسه استاندارد و تحقيقات صنعتي ايران بخاري گازي دودكشدار ويژگيها و روشهاي آزمون استاندارد ملي ايران به شماره 4. American National Standard for Gas-Fired Vented Room Heaters, ANSI21.111, Gas Space Heating Appliance, 20-AG 103, Independent Gas-Fired Convection Heater, 21-EN 613, ديناميك سيالاتي محاسباتي انتشارات دانشگاه باهنر كرمان مهرابيان م. ع رستمي ع. الف شيرازي م مقدمهاي بر انتقال گرما جلد اول و دوم ويرايش سوم دانشگاه صنعتي اصفهان عالم رجبي ع ديناميك گازها نشردانشگاه صنعتي اصفهان جمشيدي ن و افكاري د آموزش نرمافزارهاي گمبيت و فلوي نت انتشارات جهاد دانشگاهي واحد صنعتي اميركبير شجايي فرد م نورپور هشترودي ع و كفاش م راهنماي نرمافزار گمبيت و فلوي نت چاپ اول انتشارات دانشگاه علم و صنعت ايران سلطاني م و رحيمي اصل ر ديناميك سيالات محاسباتي به كمك نرمافزار فلوي نت چاپ چهارم نشر طراح كاشاني ش "ارتقاء راندمان حرارتي بخاري گازي مدل دونار با شبيهسازي جريان گازهاي حاصل از احتراق داخل كوره و مقايسه آنها با نتايج آزمايشگاهي " پايان نامه كارشناسي ارشد دانشگاه آزاد اسلامي تبريز ولي پور س كاكاي ي الف كاظم زاده س و سعيدي م "مدلسازي مصرف انرژي اجاق گاز فردار " دومين همايش بهينهسازي مصرف سوخت English Abstract Numerical and Experimental Investigation of Baffles Effect on Thermal Efficiency of Room Gas Heater S. Hossainpour 1 and S. Kashaniasl 2 1- Department of Mechanical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz 2- Institute of Standards and Industrial Research, East Azarbayjan, Tabriz This paper presents a research on thermal efficiency of home gas heaters. Installing baffles inside the furnace and against hot product gas flow prevents rapid gas flow out of the chimney, causing to increase the residue time of flue gases. Therefore, instead of heat energy loss, the energy is transferred to the room, thereby increasing the thermal efficiency of the gas heater. On the other hand, installing these baffles increases pressure drop, which can cause incomplete combustion and pollutant formation. In this work, we used fluent software to simulate fluid flow and heat transfer of product gases for different suggested obstacle surface configurations, and studied its effect on the thermal efficiency of gas heaters. Obstacle configuration with the maximum thermal efficiency is determined, built in workshop, installed and tested experimentally and its performance is shown to correspond with the computer simulation. Ultimately, the thermal efficiency of the model of Donar-khazar gas heater increased from 76.2 to 82.9% using this model. Keywords: Gas heater thermal efficiency, Obstacle surfaces configuration, Gas hearer testing, Numerical simulation 8