c (3228)

By92

c (3228)

دانشكده مهندسي مکانیک
جهت اخذ درجه كارشناسي ارشد رشته مهندسي شيمي
موضوع:
شبیه سازی فن های هوایی واحد هیدروژن شرکت پالایش نفت امام خمینی (ره) شازند با استفاده از نرم افزار Aspen B-jac
استاد راهنما:
آقاي دكتر حسینی
استاد مشاور:
آقاي دكتر فرضی
دانشجو:
جلال حمه حسنی
زمستان 1390
تقدیم به:
پدر عزیزم،
این اسوه با شکوه
که بدین جا رسانیدم امتداد اندیشه های بلندش
پاسخی به زحمات بی دریغش
و بوسه ای بر دستان بی منتش.
و
مادر مهربانم،
این نادره وجود
که وجودم همه از آن اوست
دستان دعا پیشیه و قلب مهربانش
همواره رهگشای من است.
با تشکر و قدردانی از
استاد بزرگوارم جناب آقای دکتر حسینی که با زحمات بی دریغ و دلسوزانه خویش راهنمایی پایان نامه را بر عهده داشتند و جناب آقای دکتر فرضی که مشاوره پایان نامه را تقبل فرمودند.
«اين پايان نامه با حمايت و پشتيباني شركت پالايش نفت امام خمینی (ره) شازند
اجرا شده است»

نام خانوادگی: حمه حسنی نام: جلالعنوان پایان نامه: شبیه سازی فن های هوایی واحد هیدروژن شرکت پالایش نفت امام خمینی (ره) شازند با استفاده از نرم افزار Aspen B-jac
استاد راهنما: دکترسید حسین حسینی
مقطع تحصیلی: کارشناسی ارشد رشته: مهندسی شیمی دانشگاه: تبریز
دانشکده: مکانیک تاریخ دفاع: 8/11/1390 تعداد صفحه: 101کلید واژه: فن های هوایی، یخ زدگی، شبیه سازی، روش شبکه های عصبی.چکیده
یخ زدگی فن ها در واحدهای عملیاتی از جمله واحد هیدروژن پالایشگاه امام خمینی شازند در فصول سرد سال یکی از مشکلات مهم در این پالایشگاه می باشد. به منظور ارائه راهکار مناسب برای حل این مشکل بایستی تخمینی مناسب از دمای خروجی فن را داشته باشیم. روش شبکه عصبی ابزار محاسباتی بسیار قوی به منظور مدلسازی پدیده ها می باشد. در این تحقیق از یک شبکه عصبی پیشرو سه لایه1 به منظور پیش بینی دمای سیال خروجی از فن های هوایی واحد هیدروژن پالایشگاه امام خمینی شازند استفاده شده است. نتایج نشان داد خطای نسبی متوسط2 برای این روش برابر 2/7% برای داده های آزمایشی و5/6% برای داده های آموزشی بوده است. در این پروژه همچنین با استفاده از نرم افزار Aspen B-jac فن شبیه سازی می شود و راهکار مناسب جهت جلوگیری از یخ زدگی لوله ها ارائه می شود.

فهرست مطالب
مقدمه 2
1-1 – مزایا و معایب خنک کردن با هوا 2
1-1-1- مزایا 2
1-1-2- معایب 3
2-1- ساختار مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا 3
1-3- آرایش دسته لوله ها و ایجاد جریان هوا 4
1-3-1- عبور هوا به صورت جریان دمشی (اجباری) و مکشی (القایی) 4
1-4- عبور هوا به صورت جریان طبیعی 8
1-5- ساختار دسته لوله و شکل بندی های جریان 9
1-5-1- ساختار دسته لوله 9
1-5-2- شکل بندی جریان 11
1-5-3- ساختار لوله پره دار 12
1-5-4- لوله های پره دار 16
1-6- انواع پره ها 16
1-7- کاربردهای فن های هوایی 19
1-7-1- استفاده های صنعتی 19
1-8- معادلات اساسی انتقال گرما 20
1-9- اجزای فن هوایی 22
1-10- فن های هوایی عمودی 23
1-11- تیوب باندل ها واجزای مختلف کویل ها 26
1-12- فن و محرک هوا 29
1-13- مشكلات مبدل هاي خنك كننده هوايي 31
2-1- مروری بر کارهای گذشته 34
3-1- معرفی واحد هیدروژن 38
3-2- شيمي فرآيند 38
3-3- شرح عمليات واحد 40
3-4- شبیه سازی با استفاده از نرم افزار Aspen B-jac 44
3-5- مراحل شبیه سازی با نرم افزار 56
3-6- شبیه سازی با استفاده الگوریتم شبکه های عصبی 59
3-7- مفهوم شبكه 59
3-8- شبكه عصبي مصنوعي 60
3-9- مدل رياضي شبكه عصبي مصنوعي 61
3-9-1- پرسپترون چند لايه 63
3-10- آموزش شبكه به روش پس انتشار خطا 65
3-11- الگوريتم پس انتشار خطا 66
3-12- روند شبيه سازي مسائل 71
3-13- شبیه سازی 73
4-1- نتایج نرم افزار Aspen B-jac 85
4-2- نتایج الگوریتم شبکه عصبی 92
منابع و مراجع 96
Abstract 102

فهرست اشکال
صفحهعنوان5شكل 1-1- مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا
6 شکل1-2- مبدل خنك كننده هوايي دمنده
7شکل 1-3- مبدل خنك كننده هوايي مكنده
9 شکل1-4- آرایش دسته لوله های خنک کننده در برج های خنک کن خشک کن با جریان طبیعی . (الف) آرایش پیرامونی و (ب) آرایش سطح مقطعی10شکل 1-5- دسته لوله پره دار مبادله کن گرمای خنک شونده با هوا از شرکت GEA10شکل 1-6- قابلیت دستیابی برای تمیز کردن داخل لوله ها
12شکل 1-7- مبادله کن های خنک شونده با هوا
14شکل 1-8- برخی آرایش های رایج پره لوله
14شکل 1-9- پره گذاری ستاره ای
15شکل 1-10- روش های اتصال پره
17شکل 1-11- پره L شکل
17شکل 1-12- پره Embedded
18شکل 1-13- پره Extruded 22شکل 1-14- اجزای فن 23شکل 1-15- اجزای یک فن عمودی
24شکل 1-16- انواع کویل های افقی
25شکل 1-17- انواع کویل های عمودی 26شکل 1- 18- انواع مکش طبیعی
27شکل 1-19- انواع تیوب باندل ها
29شکل 1-20- نمایی باز از یک تیوب باندل
30شکل 1-21- انواع فن ها
32شکل 1-22- يك مبدل خنك كننده هوايي و يك برج خنك کننده
46شکل 3-1- هدر های ورودی، خروجی و دمای نازل های ورودی و خروجی
46شکل 3-2- تیوب های فن
47شکل 3-3- هدر های میانی
61شکل3-4- یک نمونه عصب واقعی 62شکل 3-5- مدل ریاضی ساده شده عصب واقعی 64شکل 3-6- پرسپترون 3 لایه با اتصالات 64شکل 3-7- رفتار تابع سیگمویید
88شکل 4-1- نمایی از فن 88شکل 4-2- نمودار دما بر حسب دانسیته مایع
89شکل 4-3- نمودار دما بر حسب کسر مولی بخار
93شکل 4-4- تعدادی از نرون ها در لایه مخفی
93شکل 4-5- شبکه به کار رفته در شبیه سازی
94شکل 4-6- نمودار نشان دهنده انطباق داده های تجربی و محاسبه شده
96شکل 5-1- لوور نصب شده بر روی فن
فهرست جداول
صفحهعنوان55
جدول 3-1- داده های اندازه گیری شده جهت انجام شبیه سازی
57
جدول 3-2- ترکیبات سیال ورودی به فن 74جدول 3-3- داده های اندازه گیری شده جهت شبیه سازی
90جدول 4-1- نتایج مربوط به شبیه سازی

« فصل اول »
« مقدمه »
مقدمه
طی 20 تا 30 سال گذشته، هم برای مصارف خانگی و هم برای مصارف صنعتی، استفاده از هوا به عنوان سیال خنک کننده و جایگزین برای آب افزایش یافته است. هم اکنون مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا (هوا- خنک) بخش مهمی از فن آوری صنعتی انتقال گرما را شامل می گردند. این نوع مبادله کن ها برای خنک کردن مایعات وچگالش بخارها به عنوان مثال در جریان های پالایشگاهی و بخارهای خروجی از بالای ستون های تقطیر به طور وسیع استفاده می شوند.
1-1 – مزایا و معایب خنک کردن با هوا
1-1-1- مزایا
اساسی ترین مزیت هوا به عنوان سیال خنک کننده در دسترس بودن آن است. به علاوه در استفاده از آن در مقایسه با سیستم هایی که با آب خنک می شوند نیازی به سیستم های لوله کشی و پمپ کردن مربوط به تغذیه آب خنک کننده و مشکلی در مورد زدودن رسوب ونگرانی در مورد اثرات شیمیایی و حرارتی مضر بر محیط وجود ندارد. هوا تمیز و به لحاظ شیمیایی غیر فعال می باشد و نیازی به پیش تصفیه یا فرایندی شیمیایی برای جلوگیری از رشد باکتری ها وقارچ ها و تشکیل رسوب نیست، در صورتی که این موارد برای آب نیاز است. معمولا تشکیل رسوب و یا خوردگی در سمت هوای مبادله کن کم است اگر چه این امر به محل قرار گیری مبادله کن نیز مربوط می گردد. در نتیجه مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا در مقایسه با سیستم های خنک شونده با آب (آّب- خنک) نیاز کمتری به تعمیر ومراقبت توسط افراد فنی دارند. نکته آخر آنکه به دلیل ساختار نسبتا ساده و عدم وجود واحد کمکی تصفیه سیال خنک کن مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا هزینه اولیه کمتری در مقایسه با کولر های آبی دارند.
1-1-2- معایب
معایب اصلی هوا به عنوان سیال خنک کننده ضریب هدایت گرمایی کوچک، چگالی کم و گرمای ویژه کم آن می باشد. ضرایب انتقال گرما با لوله های ساده (بدون پره) در سرعت های هوا که به لحاظ اقتصادی ممکن می باشد ( m/s 10) کوچکتر از .k) W/(m2 100هستند وبهبود بخشیدن ضرایب انتقال گرما به وسیله لوله های پره دار حتی برای دستیابی به مقادیر متوسط بازده گرمایی نیز ضروری میباشد. در نتیجه فن های هوایی در مقایسه با مبادله کن های مشابه خنک شونده با آّب
بزرگتر هستندو نیاز به سازه های تکیه گاهی گسترده تر ومساحت زمین و فضای بیشتری برای نصب دارند. به دلیل همین ابعاد بزرگ مبادله کنهای گرمای خنک شونده با هوا نمی توانند مانند کولرهای آبی در هر جایی استفاده شوند. به عنوان مثال سوار کردن آن ها در بالای برجهای تقطیر برای چگالش بخار خروجی از بالای برج مشکل است.
در برخی محل ها دمای هوا بالا است ودر نتیجه اختلاف دمای موجود برای خنک کردن سیال عبوری از داخل لوله ها کوچک می باشد، این امر لزوم استفاده از مساحت های بسیار بزرگ سطوح مبادله کن گرما را ایجاب می کند. این مورد اغلب هنگامی پیش می آید که بنا به موقعیت محل، تغذیه آب نیز با مشکل مواجه می باشد.
نکته آخر آن که باید توجه شود که مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا که هوا در آن ها توسط پروانه به حرکت در می آید ممکن است پر سرو صدا باشند و بنابراین شکلی از آلودگی محیط (آلودگی صوتی) را ایجاد می کنند.
2-1- ساختار مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا
در مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا سیالی که باید خنک شود در داخل لوله های دسته لوله پره دار جریان می یابد، در حالی که هوا به صورت جریان متقاطع از روی سطح خارجی لوله ها عبور می کند. جریان هوا ممکن است با عبور طبیعی هوا در کانال هوا کش یا برج یا با عبور اجباری هوا به وسیله پروانه و موتور الکتریکی ایجاد شود. شکل بندی های متعدد جریان به همراه طرح های زیادی از نوع پره ها در این مبادله کن ها استفاده می گردند.
1-3- آرایش دسته لوله ها و ایجاد جریان هوا
1-3-1- عبور هوا به صورت جریان دمشی (اجباری) و مکشی (القایی)
شکل 1-1 در طرحی ترسیمی نشان می دهدکه چگونه یک دسته لوله می تواند با عبور جریان هوا به شکل دمشی یا مکشی خنک شود. در حالت جریان دمشی هوای مجاور به داخل پروانه (فن) کشیده می شود و پروانه به میزان اندکی که برای غلبه بر مقاومت هیدرولیکی عبور جریان از روی دسته لوله کافی باشد، فشار هوا را افزایش می دهد (معادل با چند میلی متر آب). در حالت جریان مکشی پروانه به میزان اندکی فشار هوا را کاهش می دهد که برای کشیدن هوا از روی دسته لوله کافی است. در حالت اخیر هوایی که وارد پروانه می شود گرمتر از دمای هوای مجاور است و لذا چگالی آن کمتر از چگالی هوای محیط می باشد.
دسته لوله ها معمولا شامل تعداد کمی از ردیف های لوله هستند که در داخل قابی مستطیلی قرار می گیرند و می توانند به صورتی که در شکل 1-1 نشان داده شده است به شکل عمودی، افقی یا در وضعیت شیبدار قرار گیرند. رایج ترین شکل قرار گیری در وضعیت افقی است.

شکل - مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا ]1[
مزایای نسبی عبور جریان هوا به شکل مکشی و دمشی به شرح زیر می باشد:
مزایای جریان به صورت دمشی
الف- در نتیجه دمای هوای ورودی سردتر به پروانه و چگالی بزرگتر هوا برای ایجاد نرخ جرمی مشخص به توان الکتریکی کمتری نیاز است، به علاوه پروانه می تواند کوچکتر باشد و بنابراین هزینه اولیه کمتری دارد.
ب- پروانه در مقایسه با حالت جریان مکشی در جریان هوای خنک قرار دارد و نیاز به عایق کاری یا خنک کاری موتور پروانه و یاتاقان ها کاهش می یابد و یا منتفی می گردد.
ج- در هنگام بروز نشتی سیال فرایندی از لوله ها و با این فرض که سیال نشتی توسط جریان هوا، حمل می گردد احتمال آلوده شدن پروانه یا موتور کمتر است.
د- در حالت قرار گیری دسته لوله به صورت افقی پروانه نزدیک به زمین است و دسترسی به آن برای عملیات تعمیر و نگهداری آسان تر است.
در شکل های  و  فن های دمشی و مکشی نشان داده شده اند.
در اين آرايش لوله ها در قسمت دمنده فن قرار دارند يعني فن زير مجموعه لوله ها قرار مي گيرند.

شکل - مبدل خنك كننده هوايي دمنده3 ]2[
در نوع دمنده لوله ها در قسمت بالايي فن قرار مي گيرند. به اين ترتيب در اثر گرم شدن هواي ورودي در بالاي لوله ها مكش طبيعي هوا به سمت بالا صورت مي گيرد. لذا توان مصرفي فن كمتر خواهد شد. از طرف ديگر در اين نوع از مبدل ها قطعات فن براي تعمير به راحتي در دسترس هستند. در ضمن اين نوع مبدل ها داراي سازگاري بيشتري در مناطق سردسير مي باشند. اما اين سيستم برخلاف مزاياي ذكر شده داراي معايبي هم هست که از آن جمله مي توان به عدم توزيع مناسب هوا در بين لولهها و امكان برگشت هواي گرم به خاطر سرعت كم هواي خروجي از قسمت لوله ها اشاره كرد. در ضمن به خاطر اينكه لوله ها د ر معرض نور خورشيد، باران و تگرگ قرار دارند ميزان استهلاك بالا مي رود. 
مزایای جریان به صورت مکشی
الف- توزیع جریان یکنواخت تر است.
ب- پروانه دسته لوله را از جمع شدن برف یا باران سنگین محافظت می کند.
ج- از گردش وعبور مجدد هوای گرم به داخل دسته لوله جلوگیری می گردد.
عیب اصلی آرایش جریان دمشی توزیع غیر یکنواخت جریان می باشد. معایب اصلی آرایش جریان مکشی فضای آزاد بزرگتر مورد نیاز برای اطمینان از توزیع یکنواخت جریان هوا میزان سر وصدای بیشتر، خطر آسیب دیدگی پروانه یا موتور در اثر نشتی سیال فرایندی و کارکرد پروانه در دماهای گرمتر هستند.

شکل - مبدل خنك كننده هوايي مكنده4 ]2[
در اين آرايش لوله ها در قسمت مكنده فن قرار دارند يعني فن بالاي مجموعه لوله ها قرار مي گيرد. این نوع نیز دارای مزایا ومعا یبی است. در اين نوع هوا در قسمتهاي مختلف اطراف لوله ها به نحو مناسبي توزيع مي شود و امكان برگشت هواي گرم به قسمت هواگيري فن كمتر است. تاثير خورشيد و باران و تگرگ بر روي لوله ها نيزكمتر است زيرا 60% سطح پوشيده است و تاثير جريان طبيعي در سيستم بيشتر است.
معايب اين سيستم نيز به شرح زير است :
توان مصرفي بيشتري مورد نياز است زيرا فن در معرض هواي گرم عبوري از لوله ها قراردارد. دماي هواي گرم خروجي از قسمت تيوب ها بايد تا حدود 200 درجه فارنهایت محدود شود زيرا امكان خراب شدن پره ها و ياتاقان و تسمه و ديگر قطعات فن در جريان هواي گرم وجود دارد. عيب ديگر اين است كه قطعات فن براي تعمير كمتر در دسترس هستند.
1-4- عبور هوا به صورت جریان طبیعی
در کاربردهای جریان طبیعی نیروی به حرکت در آورنده جریان از اختلاف چگالی هوای داخل مبادله کن گرما وسازه متصل به آن و هوای مجاور مبادله کن و در بیرون آن حاصل می شود. عموما برای حصول بازده موثر مبادله کن گرما سازه های بلندی با ارتفاع حدود 30 تا 45 متر نیاز خواهد بود. خلاقیت زیادی در طراحی این مبدل ها به کار می رود ولی دو نوع از معمولی ترین نمونه ها در شکل  نشان داده شده اند.
فعالیت های تحقیقاتی چو ]3[ در مورد مبادله کن آزمایشی خنک شونده با هوا در شرایط جریان طبیعی نشان می دهد که اگر نیاز است از ورود هوای سرد از بالای برج جلوگیری گردد ارتفاع کانال هواکش در بالای مبادله کن گرما پارامتر مهمی است که باید به آن توجه شود. وجود هوای سرد با چگالی بزرگتر می تواند در توزیع جریان هوا در دسته لوله و کارایی مبدل اثر بگذارد.

شکل  آرایش دسته لوله های خنک کننده در برج های خنک کن خشک کن با جریان طبیعی. (الف) آرایش پیرامونی و (ب) آرایش سطح مقطعی ] 1[
1-5- ساختار دسته لوله و شکل بندی های جریان
1-5-1- ساختار دسته لوله
دسته لوله های مبادله کن های گرمای خنک شونده با هوا معمولا به صورت واحدهای مستطیلی با عمق کم، شامل 3 تا 12 ردیف لوله پره دار (4 تا 6 ردیف معمول است) مطابق آنچه در شکل(1- 5) نشان داده شده است آرایش می یابند. آنها با اندازه هایی در محدوده 1 یا 2 متر تا مستطیل هایی با طول 20 متر و عرض 5 متر ساخته می شوند. لوله ها می توانند به شکل آرایه های ردیفی یا تناوبی قرار گیرند. آرایش اخیر که معمول تر می باشد برای سرعت



قیمت: تومان

About the author

92 administrator

You must be logged in to post a comment.