شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی و تحلیل همزمان اکسرژی بویلر فایرتیوب

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، ایران

چکیده

در این مطالعه، یکی از بویلرهای شرکت نفت فلات قاره ایران در جزیره خارک) درود 3، واحد بویلر) مورد تحلیل همزمان دینامیک سیالات محاسباتی و اکسرژی قرار گرفته است. بویلر مورد نظر از نوع فایر تیوب و به قطر 1360 و طول mm 5980 و سه گذر لوله می‌باشد. هندسه مورد نظر در نرم‌افزار SolidWork رسم شده است و در نرم‌افزار Fluent معادلات آن حل گردیده است. علاوه بر معادلات ممنتم، از معادلات انرژی و احتراق برای مدل مورد نظر استفاده شده است. فضای محاسباتی شامل مشعل، کوره، محفظه برگشت گازهای داغ در انتهای کوره‌ها، دسته لوله‌های پاس دوم، محفظه برگشت گازهای داغ از روی سوپر هیتر به سمت دسته لوله‌های پاس سوم و در نهایت خروجی دودکش است. توزیع دما، فشار، توزیع سرعت در بویلر و همچنین توزیع غلضت اجزای تولید شده از فرآیند احتراق به‌دست آورده شده است. نتایج شبیه‌سازی با داده‌های تجربی تطابق خوبی را نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که ناحیه بیشینه میزان کسر جرمی NO منطبق با ناحیه بیشینه دمای تشکیل شده در قسمت کوره می‌باشد. آلوده‌کننده NO در بخش شعله بیشینه بوده و با انتقال حرارت از کوره و کاهش دمای گاز در انتهای کوره، کاهش می‌یابد. در ادامه به تحلیل اکسرژی به منظور امکان‌سنجی بهینه‌سازی بویلر پرداخته شده است. نتایج تحلیل اکسرژی با مقادیر عملیاتی برای شار حرارت تولیدی توسط سوخت گاز آورده شده و درصد خطا محاسبه گردیده است. نتایج نشان می‌دهد با افزایش دمای سوخت به C°160، نرخ انتقال حرارت تابشی کوره افزایش‌یافته و دمای شعله و به دنبال آن آلوده‌کننده NO نیز کاهش می‌یابد.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

A Simultaniously Analysis of Computational Fluid Dynamics and Exergy of the Fire Tube Boiler

نویسندگان [English]

  • Morteza Mahmoudi
  • Jamshid khorshidi mal Ahmadi
  • Taleb Zarei
Department of Mechanical Engineering, University of Hormozgan, Bandar Abbas, Iran
چکیده [English]

In this study, Exergy analysis and computational fluid dynamics simulation of one of the Iranian Offshore Oil Company boilers at Kharg Island, Dorood 3 (boiler unit) has been carried out simultaneously. A type of  fire tube boiler with length of 5980 mm and a diameter of 1360 and three pass tubes is investigated. Desired geometry is drawn using SolidWork software, and the equations are solved using Fluent software. In addition to the momentum equations, the energy and combustion equations were also used to the model. Computational space, including burners, furnaces, hot gas chamber at the end of furnaces, the second pass of the tubes, hot gas chamber from the super heater passes into the third tube pass and finally the stack. Temperature, pressure, velocity and concentration distribution in the boiler has been obtained. The simulation results show good agreement with the experimental data. The results show that the area of maximum mass fraction of NO is made in accordance with the area of maximum temperature in the furnace. NO contaminant is maximum in the flame area. NO contaminant is reduced when the gas temperature in the furnace is reduced;moreover, Exergy analysis is discussed to determine the feasibility of optimize boiler. The results of exergy analysis of operations for the produced heat flux values by fuel gas are obtained and percent error is calculated. The results show that with increasing temperature to °160C fuel, the furnace radiant heat transfer rate increased and the flame temperature and consequently also reduce NO contaminant.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fire Tube Boiler
  • Computational Fluid Dynamics
  • Exergy
  • Combustion
  • Thermal Efficiency

[1]. Gutiérrez Ortiz F. J., “Modeling of fire-tube boilers,” Applied Thermal Engineering, Vol. 31, No. 16, pp. 3463-3478, 2011##

[2]. Bisetto A., Del Col D., and Schievano M., “Fire tube heat generators: Experimental analysis and modeling,” Applied Thermal Engineering, Vol. 78, pp. 236-247, 2015 ##

[3]. Li C., Gillum C., Toupin K. and Donaldson B., “Biomass boiler energy conversion system analysis with the aid of exergy-based methods,” Energy Conversion and Management, Vol. 103, pp. 665-673, 2015##

[4]. Zhang X., Zhang X., Zhou J., Sun Sh., Sun R. and Qin M., “Numerical investigation of low NOx combustion strategies in tangentially-fired coal boilers,” Fuel, Vol. 142, pp. 215-221, 2015.##

[5]. Luo, W., Wang Q., Guo J., Liu Zh. and Zheng Ch., “Exergy-based control strategy selection for flue gas recycle in oxy-fuel combustion plant,” Fuel,. Vol. 161, pp. 87-96, 2015##

[6]. Park H.Y., HyunBaek S., HeeKim H., Y. JooKim, HyungKim T., SooLim H. and SooKang D., “Reduction of main steam temperature deviation in a tangentially coal-fired, two pass boiler,” Fuel, Vol. 166, pp. 509-516, 2016 ##

[7]. Ahmed Rahmani S. T., “Numerical investigation of heat transfer in 4-Pass fire-tube boiler,” American Journal of Chemical Engineering, 2014##

[8]. Habib M. A. and Nemitallah M. A., “Design of an ion transport membrane reactor for application in fire tube boilers,” Energy, Vol. 81, pp.787-801, 2015##

[9]. Li B., Brink A. and Hupa M., “CFD investigation of slagging on a super-heater tube in a kraft recovery boiler,” Fuel Processing Technology, Vol. 105,  pp.149-153, 2013##

[10]. Gao Y., Dai Z., Li C. and Wang F., “Effects of soot nanoparticles on heat transfer and flow in fire-tube waste heat boiler,” Asia-Pacific Journal of Chemical Engineering, Vol. 8, No. 3, pp.371-383, 2013.##

[11]. Black S., Szuhánszki J., Pranzitelli A., Ma L., Stanger P. J., Ingham D. B. and Pourkashanian M., “Effects of firing coal and biomass under oxy-fuel conditions in a power plant boiler using CFD modelling,” Fuel, Vol. 113, pp. 780-786, 2013##

[12]. مدیریت اداری و آموزشی معاونت برنامه‌ریزی و تجهیز انسانی. شرکت ملی نفت ایران. شرکت نفت فلات قاره، منطقه خارک، مجتمع کارخانجات درود 3.## 

[13]. Data sheet steam generation package HA-950A. Kharg Island Durood 3. Iran.##

[14]. Van Wylen G. J. and Sonntag R. E., “Fundamentals of classical thermodynamics,” 1986: Wiley.##

[15]. Winterbone D. E., “Advanced Thermodynamics for Engineers,” 1997: Arnold.##

[16]. Incropera F. P., et al., Introduction to Heat Transfer. 2006: Wiley.##

[17]. ط. زارعی و رحیمی ر.، "کاربرد روش دینامیک سیالات محاسباتی برای بررسی استفاده از دریچه‌های هدایت بخار در عمل‏کرد سینی غربالی،" نشریه پژوهش نفت، دوره 5، شماره 95، صفحات 48 تا 59، 1395.##

[18]. Zarei T., Farsiani M. and Khorshidi J., “Hydrodynamic characteristics of valve tray: Computational fluid dynamic simulation and experimental studies,” Korean J. Chem. Eng., Vol. 34, No. 1, pp.150-159, 2017##

[19]. Khorshidi J., Zarei T. and Davari H., “A detailed model for combustion characteristics of petroleum residue and heat transfer coefficients in a CFB combustor,” Pet. Sci. and Tech., Vol. 34, No. 15, pp.1340-1344, 2016##

[20]. Zarei T., Abedini E., Rahimi R. and Khorshidi J., “Computational fluid dynamics on the hydrodynamic characteristics of the conical cap tray,” Korean J. Chem. Eng., Vol. 34, No. 4, pp.969-976, 2017.##