شبیه سازی عددی انتقال جرم گرما – ایران ترجمه – Irantarjomeh
مقالات ترجمه شده آماده گروه مکانیک
مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی
مقالات
چگونگی سفارش مقاله
الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.
قیمت
قیمت این مقاله: 58000 تومان
(ایران ترجمه - Irantarjomeh)
توضیح
بخش زیادی از این مقاله بصورت رایگان ذیلا قابل مطالعه می باشد.
شماره
۴۳
کد مقاله
MEC43
مترجم
گروه مترجمین ایران ترجمه – irantarjomeh
نام فارسی
شبیه سازی عددی انتقال جرم و گرما در تقطیر غشایی مستقیم در ماژول فیبر توخالی با جریان لایه ای
نام انگلیسی
Numerical simulation of heat and mass transfer in direct membrane distillation in a hollow fiber module with laminar flow
مرکز فن آوری غشایی سنگاپور- دانشگاه فن آوری نانیانگ- سنگاپور
کالج مهندسی راه و ساختمان و محیط زیست- دانشگاه فن آوری نانیانگ- سنگاپور
کالج مهندسی شیمی- دانشگاه سیچوان- چین
الزویر
مرجع به انگلیسی
Journal of Membrane Science; Singapore Membrane Technology Centre- Nanyang Technological University- Singapore; School of Civil and Environmental Engineering- Nanyang Technological University- Singapore; School of Chemical Engineering- Sichuan University- China; Elsevier
کشور
سنگاپور – چین
شبیه سازی عددی انتقال جرم و گرما در تقطیر غشایی مستقیم در ماژول فیبر توخالی با جریان لایهای
چکیده
فرآیندهای انتقال جرم و حرارت در تقطیر غشایی تماس مستقیم (MD)، تحت شرایط جریان لایهای با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) مورد تحلیل قرارگرفته است. یک مدل انتقال حرارت دوبعدی، با اثر دادن گرمای نهان، که طی فرآیند MD تولید میگردد، در معادله بقای انرژی، ایجاد شد. با استفاده از معادلات ناویر-استوکس در کنار این معادله، توسعه لایه مرزی حرارتی، دماهای دیواره غشا، ضریب قطبش دمایی (TPC)، ضرایب انتقال حرارت محلی، شار حرارت محلی و نیز بازدهی حرارتی تحت شرایط جریان ناهمسو پیشبینی شدند. کارایی کلی برحسب شار و دما توسط این مدل پیشبینی شده و با استفاده از آزمایشهای فیبر توخالی تکی، با تغذیه در پوسته و نشت در حفره، مورد تایید قرار گرفت.
شبیه سازیهای انجام شده با استفاده از این مدل، اطلاعات زیادی را در مورد MD تماس مستقیم با جریان متقابل / ناهمسو فراهم نمودند. براساس پروفیلهای دمای پیشبینی شده، شار حرارت محلی در طول فیبر ابتدا افزایش و سپس کاهش مییابد. انحراف دمای دیواره غشا، از فاز تودهای سیال در کنارههای تغذیه و نشت، اثر قطبش دمایی (TP) را پیشبینی نمود. ضریب TP در طول فیبر، ابتدا کاهش یافته و سپس افزایش مییابد. همچنین دیده شد که اعداد ناسلت محلی (Nu)، بالاترین مقدار خود را در ورودیهای کنارههای تغذیه/نشت نشان میدهد. در شرایط کاری فرض شده، ضرایب انتقال حرارت در سمت تغذیه (hf) بهطور معمول نصف hp در سمت نشت است. این موضوع، بیانگر آن است که هیدرودینامیک سمت پوسته، نقش مهمی در بهبود انتقال حرارت در این آرایش MD دارد. این مدل، همچنین نشان میدهد که چگونه نرخ انتقال جرم و بازدهی گرمایی تحت تأثیر شرایط کاری قرار می گیرند. بهکارگیری ماژول در سرعتهای گردش تغذیه/نشت بالاتر، شار میانغشایی را بهبود میدهد، هرچند سبب کاهش بازدهی گرمایی بهدلیل اتلاف گرمایی بیشتر در سرعت نشت می شود. مطالعه کنونی نشان میدهد که شبیهسازیهای CFD قابلیت ارائه پیشبینیهایی کیفی از تأثیر عاملهای مختلف در کارایی MD را دارا می باشند. این پیش‌بینی‌ها را میتوان بعنوان راهنمایی برای تحقیقات آینده در زمینه طراحی ماژول فیبر توخالی، افزایش مقیاس ماژول و بهینهسازی فرآیند برای تسهیل در تجاریسازی MD بکار گرفت.
تقطیر غشایی (MD)، فرآیندی با محرک گرمایی که انتقال جرم و گرما را برای تولید آب با کیفیت بالا، در خود تلفیق نموده، تکنولوژی نوظهوری برای نمکزدایی از آب دریا است. در میان چهار آرایش معمول MD، تقطیر غشایی تماس مستقیم (DCMD)، بهدلیل عدم نیاز به وسایل خارجی برای چگالش نشتی، مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. با توجه به افزایش هزینه انرژی در سالهای اخیر، فرآیند MD به جایگزینی بالقوه برای فناوریهای تقطیر رایج از قبیل اسمز معکوس (RO)، به شرط وجود دسترسی به گرمای هدررفت، تبدیل شده است. با این وجود، چندین مانع اصلی برای استفاده تجاری گسترده از فرآیند MD وجود دارد. این موانع شامل شار نسبتاً پایین نشت و بازدهی گرمایی پایین ماژولهای MD میشود [۱].
برای درک صحیح ترکیب پیچیده انتقال جرم و گرما در فرآیند MD، توزیع دما در نزدیکی سطوح غشا، در طول ماژول باید کاملاً تشریح شود. متأسفانه، در اینجا یافتن اطلاعات دمایی از طریق دیدگاههای تجربی غیرنفوذی که بهطور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند، مانند مشاهده جریان با رنگ، سرعتسنجی با تصویربرداری از ذرات (PIV) و مشاهده مستقیم از طریق غشا (DOTM) و … امکانپذیر نیست. این فناوریهای مشاهدهای، قادر نیستند اطلاعاتی مناسبی از جریان و میدان گرمایی در لایههای مرزی فراهم آورند [۲]. برای بدست آوردن ضرایب انتقال حرارت در فرآیند MD، بعضی محققان [۳] غشاها را با فیلمهای آلومینیومی جابهجا نمودهاند و بعضی دیگر [۸-۴] به مدلسازی ریاضی با استفاده از روابط نیمهتجربی و مدل مقاومتهای سری برای پیشبینی توزیع دما پرداختهاند.
این مقاله، به توصیف شبیهسازیهای CFD میپردازد که معادلات ناویر-استوکس را با معادله بقای انرژی در دامنه دوبعدی همراه نمودهاند تا وضعیت هیدرودینامیکی و گرمایی را در یک ماژول فیبر توخالی تکی در شرایط جریان آرام، برای فرآیند DCMD توصیف کنند. مدل انتقال حرارت بهتازگی توسعهیافتهای، که اجازه انتقال گرمای نهان فرآیندهای تبخیر/چگالش را در طی فرآیند MD میدهد، اما از انتقال خود شار جرم میانغشایی صرفنظر میکند، برای تخمین ضرایب انتقال گرما در شرایط جریان، پروفیلهای دما، ضرایب قطبش دما (TPC)، توزیع شار جرم، اتلاف گرما و بازدهی گرمایی MD مختلف، مورد استفاده قرار گرفته است. هدف از این تحقیق، فراهم کردن دیدی عمیقتر به پدیده انتقال جرم و گرما در فرآیند DCMD و دادن رهنمودهایی برای بهینهسازی بیشتر عملکرد MD بهمنظور افزایش کارایی است.
شبیه سازی عددی انتقال جرم گرما
۲- نظریه
۲-۱- معادلات انتقال و شرایط مرزی حاکم
عموماً فرآیند DCMD با سه مرحله قابل توصیف است:
(۱) بخار در سمت تغذیه در سطح غشا تبخیر میشود؛ (۲) بخار از میان غشا عبور میکند؛ (۳) بخار در سمت نشت و نزدیکی سطح غشا، چگالش مییابد. شار جرم میان-غشایی، مسألهای کلیدی در فرآیند MD است. با این وجود، باید توجه شود که شار جرم میان-غشایی در مورد یک فیبر تکی، وقتی با نرخ جریان تغذیهای کاری مقایسه شود، سهمی قابل چشمپوشی هم در مورد تغذیه و هم در مورد نشت دارد. برای مثال، نرخ جریان جرم میان-غشایی نمونه در بررسی حاضر حدود است. این مقدار، بهمیزانی برابر با سه مرتبه بزرگی، از نرخ جریان تغذیه کمتر است. بنابراین در بررسی حاضر، مدل انتقال حرارت سادهشدهای برای فرآیند DCMD، با صرفنظر از تأثیر شار جرم میانغشایی در معادلات بقا، و از سوی دیگر، تلفیق گرمای نهان از تبخیر/چگالش در فرآیند انتقال حرارت، شکلگرفتهاست.
در فرآیند انتقال حرارت پایا تحت جریان لایهای، معادلات کلی انتقال حاکم برای تغذیه، نشت و غشاء، بهصورت زیر است:
معادله پیوستگی:
۲-۲- تحلیل انتقال جرم و گرما در MD
۲-۲-۱ انتقال جرم
شار جرم میان غشایی میتواند بهصورت زیر نوشته شود:
۲-۲-۲- انتقال گرما
فشار بخار اشباع در دمای دیواره غشاء با استفاده از رابطه آنتونی بدست میآید [۲۱]:
۲-۳- دامنه محاسباتی و الگوریتم
با فرض اینکه ماژولهای تکفیبر ساختاری استوانهای دارند، مجموعهای از دامنههای دوبعدی تقارن محوری تک فیبری ایجاد شدند. شبکه مربعی برای شبکهبندی در این مدل اختیار شد. برای بهینه کردن آرایش شبکه، در جهت r، اندازه شبکهای برابر با برای نشت تودهای و غشاء و اندازه شبکهای که بهطور تدریجی از تا افزایش مییابد، برای تغذیه تودهای (سمت پوسته) انتخاب گردید. در مورد جهت x، بهطور کلی اندازه شبکه بهکار گرفته شد. برای مثال، آرایش شبکه برای ماژول بهطول ۲۵/۰ متر، در شکل ۲، که هندسه کامل و نواحی بهصورت محلی تقویتشده در دامنه دوبعدی را به تصویر کشیده، نشان داده شده است.
شبیه سازی عددی انتقال جرم گرما
۳- آزمایشها
این بخش به توصیف اندازهگیریها و نتایج تجربی که برای بررسی اعتبار مدل شبیهسازی CFD مورد استفاده قرار گرفتند، میپردازد.
۳-۱- مواد
بهطور کلی، خواص غشایی پلیمری میتواند بهصورت زیر بیان شود:
۳-۲- برنامه آزمایش DCMD
برنامه آزمایش DCMD برای آزمایشهای ماژول فیبر تکی مشابه چیزی است که در کار قبلی ما مورد استفاده قرار گرفت [۲۰]. هر دو محلول تغذیه و نشت، از میان ماژول فیبر توخالی در وضعیت جریان متضاد به گردش درآمدند. در سمت پوسته، محلول تغذیه (آب دریای مصنوعی: ۵/۳ درصد وزنی سدیم کلراید (NaCl) با رسانشی حدود mscm-1۶۰) گرم شد () و بهوسیلهپمپ پریستالتیک / پمپ غلتکی ( و عدد رینولدز ) به گردش درآمد. در سمت مجرا، سیال نشتی (آب خالص، با رسانش حدود ) تا دمای بهوسیله سیستم خنک کننده گردشی خنککن، سرد شد و با استفاده از پمپ دودی دیگری ( و ) به گردش درآورده شد. محصول تقطیر در مخزن سرریز که در شرایط توازن قرار داشت () جمعآوری گردید. براساس این شرایط کاری، در طی شبیهسازی، شرایط لایهای به معادلات بقا اعمال گردید.
شبیه سازی عددی انتقال جرم گرما
۴- نتایج و مباحث
۴-۱- مقایسه بین دادههای تجربی و نتایج شبیه سازی
در ابتدا، دماهای تودهای میانگین شبیهسازیشده با نتایج تجربی مقایسه گردید تا اعتبار مدل انتقال حرارت بتازگی ساخته شده، مورد بررسی قرار گیرد.
۴-۲- پروفیل های دمایی در داخل ماژول
پروفیلهای دمایی در داخل ماژولی به طول ۲۵/۰ متر با استفاده از شبیهسازیهای CFD بهدست آمدند. شکل ۳ توزیع دما در جهت x و r را نشان میدهد. تشکیل لایههای مرزی گرمایی در جهت طولی جریان (جهت x) میتواند بهوضوح دیده شود. در سمت پوسته، ضخامت لایه مرزی به نزدیک کانال جریان در خروجی تغذیه میرسد. این در حالی است که لایه مرزی گرمایی در خروجی نشت، تمام کانال را پر میکند. پروفیل دمایی بین دو سمت غشاء از تغذیه تا نشت، افت شدیدی را نشان میدهد که مشخص میکند مقاومت غشا، نقشی اساسی در فرآیند انتقال گرما بازی میکند.
۴-۳- انتقال گرما در فرآیند MD
۴-۳-۱- شار گرمایی محلی و نیروی محرکه برای ماژولهای با طولهای مختلف
شکل ۴ ارتباط بین شار گرمایی محلی و اختلاف دمای تغذیه تودهای ()، که نیروی محرکه محلی برای انتقال گرما در تغذیه تودهای است، را در مقابل طول بیبعد ماژول نشان میدهد. برای هر چهار ماژول با طولهای مختلف ()، همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده،
۴-۳-۲- ضرایب انتقال گرما برای ماژولهای با طول مختلف
برای بررسی اثر طول ماژول روی ضریب انتقال حرارت MD، ، مجموعهای از شبیهسازیهای عددی برای و انجام شدند. شکل ۶، اعداد ناسلت محلی را بهعنوان تابعی از طول بیبعد ماژول ، نشان میدهد. میتوان دریافت که هر دو منحنی و برای ماژولهای مختلف، روندهای مشابهی از خود نشان میدهند: بالاترین مقادیر در ورودیهای سمت تغذیه/نشت رخ میدهد و سپس در جهت جریان کاهش یافته تا به مقداری ثابت میرسد. همچنین مشاهده میشود که ماژولهای کوتاهتر ()، بهخاطر وضعیت لایه مرزی در حال توسعه خود داخل کانالهای جریان، تمایل به داشتن مقادیر نسبتاً بالاتری و از ماژولهای بلندتر () دارند. چون مقدار نشاندهنده ضخامت لایه مرزی گرمایی است، مقدار میانگین کمتر در ماژولهای بلندتر در طول بیبعد مشابه، باعث اثرات قطبش دمایی (TP) چشمگیرتر و بنابراین مقاومت در برابر انتقال گرمای بالاتر برای سیستم MD میشود.
۴-۳-۳- ضرایب انتقال حرارت در شرایط جریان مختلف
برای بررسی اثر شرایط جریان روی ضریب انتقال گرما یا ، دو مجموعه از شبیهسازی با تغییر دادن پارامترهای زیر انجام شدند: (۱) (یعنی عدد رینولدز سرعت جریان نشت)، در حالیکه دماهای ورودی تغذیه/نشت ثابت و (یعنی عدد رینولدز سرعت جریان تغذیه) نگه داشته میشدند، از ۲۰۰ تا ۲۰۰۰ تغییر داده شد؛ (۲) در حالیکه دماهای ورودی تغذیه/نشت ثابت و (یعنی عدد رینولدز سرعت جریان تغذیه) نگه داشته میشدند، از ۵۰۰ تا ۲۰۰۰ تغییر داده شد. شکل ۷ و ۸، پروفیلهای ( و ) را بهترتیب، بهعنوان تابعی از و نشان میدهند.
۴-۴- ضریب قطبش دمایی (TPC)
برای ارزیابی اثر ضریب قطبش دمایی (TPC) در سیستم ماژول تکفیبری، شبیهسازیهای عددی روی توزیع TPC [که با رابطه ۱۵ تعریف گردید] در طول ماژول، برای ماژولهای مختلف انجام شدند. نتایج شبیهسازیها در شکل ۱۰ نشان داده شده است. مشاهده میشود که TPC ابتدا کاهش یافته و سپس در طول فیبر افزایش پیدا میکند. مقدار TPC بین ۶۳/۰ و ۷۳/۰ تغییر میکند که بالاترین مقدار در ورودی سمت تغذیه یا نشت رخ میدهد که در آنجا لایه مرزی گرمایی، نازکترین وضعیت خود را دارد (نسبت به پروفیلهای مرز در شکل ۳). Uشکل بودن این منحنیهای TPC میتواند بر مبنای نتایج شکل ۴ و ۵ توضیح داده شود.
۴-۵- انتقال جرم در فرآیند MD
۴-۵-۱- شار جرم محلی برای ماژولهای با طول مختلف
شکل ۱۱، توزیع شار جرم میانغشایی محلی را در امتداد طول بدون بعد فیبر برای ماژولهای با طول مختلف به تصویر میکشد (دقت کنید که براساس سطح غشای خارجی فیبر تعریف میشود). این منحنیهای ، که دارای اشکالی شبیه به توزیعهای و در شکل ۴ و ۵ هستند، نشان میدهند که شار جرم محلی در ابتدا کاهش یافته و سپس بهآرامی با افزایش افزایش پیدا میکند. این روند پیچیده، میتواند با رشد متقابل لایههای مرزی گرمایی در سمت تغذیه و نشت، جاییکه نازکترین لایههای مرزی، در نواحی ورودی مربوطه رخ میدهند، توضیح داده شود.
۴-۵-۲- شار جرم محلی در شرایط جریان مختلف
برای بررسی ارتباط بین شار جرم میانغشایی و شرایط جریان، شکل ۱۲ توزیع
۴-۶- بازدهی گرمایی در شرایط جریان مختلف
چون کارایی گرمایی (روابط ۱۹ و ۲۱) معیاری کلیدی برای ارزیابی کارایی ماژول در سیستمهای MD هستند، تأثیر شرایط کاری روی بازدهی گرمایی نیز مورد بررسی قرار گرفت. شکل ۱۳ نتایج شبیهسازی توزیع ضرایب گرمایی محلی را در و های مختلف هنگام استفاده از ماژول فیبر توخالی بهطول ۲۵/۰ متر نشان میدهد. مشاهده میشود که با کاهش سرعت جریان نشت، وقتی سرعت جریان () و سایر شرایط کاری ثابت نگه داشته میشود، بهطور مؤثری افزایش مییابد. این موضوع میتواند ناشی از افزایش دمای دیواره غشاء با سرعت جریان نشت پایینتر باشد.
شبیه سازی عددی انتقال جرم گرما
۵- نتیجه گیری
مدلی دو بعدی برای انتقال گرمایی در فرآیند DCMD ایجاد گردید. براساس آزمایشهای ماژول تک فیبر، اعتبار مدل CFD مورد تأیید قرار گرفت. با استفاده از این مدل، شبیهسازیهای عددی از رشد لایه مرزی گرمایی، دماهای دیواره غشاء، TPC، ضرایب انتقال گرمای محلی، شارهای جرم محلی و نیز بازدهی گرمایی و … در امتداد طول ماژول فیبر توخالی انجام داده شد و نتایج بهتفصیل مورد بحث قرار گرفتند. براساس پروفیلهای دمایی بهدست آمده از شبیهسازیهای CFD، دیده شد که شارهای گرمایی محلی ابتدا افزایش یافته و سپس در امتداد جهت جریان کاهش می یابند. انحراف دمای دیواره غشاء از وضعیت تودهای سیال در سمت تغذیه و نشت، باعث اثر قطبش دمایی (TP) میشود. TPC در امتداد طول فیبر، ابتدا کاهش یافته و سپس افزایش مییابد. محلی، بالاترین مقادیر خود را در ورودی سمت تغذیه/نشت نشان میدهد. ضرایب انتقال گرمای سمت تغذیه ، معمولاً نصف در سمت نشت تحت شرایط کاری انتخاب شده هستند. این موضوع نشاندهنده آن است که هیدرودینامیک سمت تغذیه، نقشی مهم در بهبود انتقال گرما در سیستم MD دارد.
بعلاوه، نرخ انتقال جرم و بازدهی گرمایی متأثر از شرایط عملیاتی هستند. با کارکردن ماژول در سرعتهای گردش تغذیه/ نشت بالاتر، شار میانغشایی بالا میرود، اگرچه بازدهی گرمایی، بهخاطر اتلاف گرمایی بزرگتر در سرعت نشت بالاتر کاهش می یابد.
توجه کاملی به پارامترهای انتقال گرما (، TPC، Nu و )، تولید آب/انتقال جرم ()، پیکربندی ماژول، ویژگیهای غشاء و بازیابی و/یا مصرف اصولی انرژی برای بهینهسازی فرآیند MD مورد نیاز است. بررسی فعلی ما نشان میدهد که شبیهسازیهای CFD قابلیت ارائه پیشبینیهای کیفی مفیدی از تأثیر عوامل مختلف روی کارایی MD را داشته که خود بعنوان راهنمای تحقیقات آتی در زمینه طراحی ماژول فیبر توخالی، بزرگتر کردن مقیاس ماژول و بهینهسازی فرآیند برای تسهیل کاربرد تجاری MD بشمار خواهد آمد.
لطفا به جای کپی مقالات با خرید آنها به قیمتی بسیار متناسب مشخص شده ما را در ارانه هر چه بیشتر مقالات و مضامین ترجمه شده علمی و بهبود محتویات سایت ایران ترجمه یاری دهید.
