فهرست مطالب

مهندسی و مدیریت انرژی - سال دهم شماره 4 (پیاپی 38، زمستان 1399)

فصلنامه مهندسی و مدیریت انرژی
سال دهم شماره 4 (پیاپی 38، زمستان 1399)

  • تاریخ انتشار: 1399/12/06
  • تعداد عناوین: 7
|
  • ابراهیم بابایی*، الیاس شوکتی اصل، سارا لالی صفحات 2-13

    در این مقاله، برای اولین بار اینورتر منبع امپدانسی سری با سلول سلف های کلیدزنی شده پیشنهاد می شود. ساختار پیشنهادی علاوه بر حل مشکلات ناشی از اتصال کوتاهی ساق های اینورتر که به اصطلاح shoot-through (ST) نامیده می شود، می تواند دامنه ولتاژ خروجی را نسبت به نوع مرسوم بیشتر افزایش دهد. میزان بهره ولتاژ با افزایش تعداد سلف ها و دیودها در سلول سلف های کلیدزنی شده بیشتر می شود. کوچک بودن اندازه تنش ولتاژ دو سر خازن ها از دیگر مزیت ساختار پیشنهادی محسوب می شود. با کنترل چرخه کاری حالت ST از صفر تا مقدار مطلوب، ولتاژ دو سر خازن ها به آرامی از مقدار صفر افزایش می یابد که این سبب راه اندازی نرم می شود؛ که در اینورتر منبع امپدانسی مرسوم امکان پذیر نیست. در این مقاله، ضمن بررسی عملکرد مبدل پیشنهادی در مدهای کاری مختلف، میزان تنش ولتاژ دو سر خازن ها، جریان سلف ها و بهره ولتاژ نیز محاسبه شده است. همچنین برای مشخص شدن مزایا و معایب ساختار پیشنهادی، نتایج مقایسه با مبدل های مرسوم ارایه شده است. در پایان، نتایج شبیه سازی در محیط نرم افزار PSCAD/EMTDC برای اثبات ادعاهای مطرح شده ارایه شده است.

    کلیدواژگان: اینورتر تمام پل، Shoot-through، سلف های کلیدزنی شده، بهره ولتاژ، منبع امپدانسی
  • سید ابوالفضل رضوی علوی، ابراهیم نعمتی لای* صفحات 14-29

    در این مقاله، سیکلون دوتایی به عنوان جداکننده گاز- جامد در فرایند خشک سازی بستر سیال تولید پودر خشک پلی اتیلن سنگین از 56000 کیلوگرم بر ساعت خوراک مرطوب استفاده می شود. کیفیت محصول به شدت به رفتار ذرات و الگوی جریان خشک کن وابسته است که سیکلون های دوتایی را به عنوان تجهیزی مهم، تحت تاثیر قرار می دهد. کنترل گاز حامل ورودی، سبب الگوی جریانی مناسب، رطوبت نهایی مطلوب و بازده جداسازی بالا در میان گریدهای مختلف پلی اتیلن سنگین می شود. شدت جریان کمتر ذرات فراری از سیکلون ها منجر به مصرف پایین انرژی در دمنده ها و باعث عدم وجود گرد و غبار در سوراخ های توزیع کننده خشک کن و وجود سینی هایی پاک در برج تمییزکننده جریان می شود. شبیه سازی عددی میدان جریانی سیال و دینامیک ذرات در سیکلون با تکنیک دینامیک سیالات محاسباتی، در تعیین افت فشار و متغیرهای اغتشاش، ما را برای ارزیابی این فرایند یاری می کند. معادله های ناویر- استوکس در چهارچوب اولری- لاگرانژی با مدل تلاطمیRNG k-ɛ ، به عنوان روش ریاضی استفاده می شوند. حل میدان جریانی، با روش حجم محدود بر اساس الگوریتم PISO، برای همپوشانی فشار- سرعت در دامنه محاسباتی انجام می شود؛ به طوری که نتایج محاسباتی در توافق قابل قبولی با متغیرهای عملیاتی صنعتی، مانند افت فشار سیکلون است.

    کلیدواژگان: دینامیک سیالات محاسباتی، پلی اتیلن سنگین، خشک سازی بستر سیال، بهینه سازی انرژی، سیکلون دوتایی، افت فشار
  • محمد احمدزاده طلاتپه* صفحات 30-43

    سیستم های تهویه بیشترین سهم از مصرف کل انرژی در ساختمان های مناطق گرمسیر ایران را به خود اختصاص می دهند. به علاوه، انتقال گرما از طریق دیوارهای خارجی ساختمان ها یکی از عمده ترین موارد برآورد انرژی سرمایشی ساختمان ها در مناطق گرمسیر است. بنابراین، به تازگی به کارگیری مواد عایق در دیوارهای خارجی ساختمان ها مورد توجه قرار گرفته است. در تحقیق حاضر، روشی برای بهینه کردن ضخامت عایق به کار گرفته شده در ساختمان های مناطق گرمسیر ایران مانند بندرعباس و بوشهر ارایه شده است. روش بهینه سازی بر اساس آنالیز لایف سایکل انجام شده است. همچنین، رابطه بین ضخامت بهینه عایق و ضریب هدایت پذیری آن به منظور به کارگیری در مناطق گرمسیر بندرعباس و بوشهر ارایه شده است. مطالعه نشان می دهد که رابطه بین ضخامت بهینه عایق و ضریب هدایت پذیری آن یک رابطه غیر خطی است و از توابع پلی نامینال پیروی می کند.

    کلیدواژگان: دیوارهای ساختمان، ماده عایق، ضخامت بهینه، هدایت پذیری حرارتی
  • محمدرضا سالارکیا، سعید گلابی* صفحات 44-59

    انرژی، محیط زیست و اقتصاد، سه جزء اصلی از زنجیر به هم پیوسته ای هستند که همواره در ارتباط با یکدیگر، تحلیل و بررسی می شوند. ازاین رو، تعیین جایگزینی مناسب برای سوخت ها که الزامات تامین انرژی را برآورده کند و از طرفی بتواند قیمت را کاهش دهد و آلودگی کمتری ایجاد کند، نیازمند بررسی دقیق سوخت های موجود و تحلیل قوت ها، ضعف ها، فرصت ها و تهدیدهای آن را دارد. در این مقاله، مطالعه کاملی در خصوص جنبه های اقتصادی و زیست محیطی گاز طبیعی مایع به عنوان سوخت جایگزین برای کشتی ها با تمرکز بر کدها، استانداردها، قواعد، محدودیت ها و راهکارهایی که برای ایجاد تعادل بین بازار و صنعت لازم است، ارایه شده است. مشخصات متفاوت سوخت گاز طبیعی مایع با سوخت های دیگر مقایسه و نشان داده شده که این سوخت به مراتب آلودگی کمتری تولید می کند و مزایای بسیار بیشتری در سطح منطقه ای و جهانی دارد.

    کلیدواژگان: گاز طبیعی مایع، سوخت کشتی، سوخت سنگین، سوخت گاز کشتی، سوخت گازوئیل کشتی، سازمان جهانی دریانوردی
  • فرهاد امیری، محمدحسن مرادی* صفحات 60-73

    بحث کنترل ریزشبکه در حالت ایزوله، بسیار اهمیت دارد. در این مقاله، از روش جدیدی برای کنترل ریزشبکه ایزوله استفاده شده است. این روش بر اساس تقسیم بندی ریزشبکه به دو بخش دینامیک سریع (باتری و چرخ طیار) و دینامیک کند (دیزل ژنراتور، الکترولایزر، پیل سوختی) مورد استفاده قرار گرفته است. برای اجزای ریزشبکه که دینامیک سریع دارند، از یک کنترل کننده مجزا استفاده شده است و برای اجزای ریزشبکه که دارای دینامیک کند هستند، از کنترل کننده مجزای دیگری استفاده شده است. این روش در متلب شبیه سازی شده است. از کنترل کننده تناسبی- انتگرالی- مشتق پذیر مرتبه کسری (FOPID) که با استفاده از الگوریتم گرگ خاکستری بهینه شده، به عنوان کنترل کننده پیشنهادی در استراتژی کنترلی جدید استفاده شده است. روش پیشنهادی با کنترل کننده تناسبی- انتگرالی- مشتق پذیر مرتبه کسری (FOPID) که با استفاده از الگوریتم ازدحام ذرات (PSO) و الگوریتم ژنتیک (GA) بهینه شده، مقایسه شده است و همچنین با کنترل کننده مرسوم PID که ضرایب آن با استفاده از روش زیگلر-نیکولز به دست آمده و PI که ضرایب آن با استفاده شبکه عصبی (NN) نیز مقایسه شده است. که در نهایت از نظر سرعت پاسخ، بهبود عملکرد حالت گذرا، بهبود عملکرد حالت ماندگار، نسبت به روش های قبلی مطلوب تر است.

    کلیدواژگان: ریزشبکه ایزوله، استراتژی کنترلی جدید، کنترلر مرتبه کسری (FOPID)، الگوریتم گرگ خاکستری (GWO)
  • علیرضا آقایی، علیرضا فدایی دهر* صفحات 74-89

    در این مطالعه، به شبیه سازی عددی سه بعدی کلکتورهای خورشیدی پارابولیک بشقابی حاوی نانوسیال پرداخته می شود. هندسه مسئله شامل یک کلکتور خورشیدی پارابولیک بشقابی دارای عایق بافل است. در هندسه کلکتور تاثیر تغییر ابعاد بافل ها بررسی می شود. به منظور بررسی تاثیر جریان بر انتقال حرارت چهار عدد رینولدز مختلف در محدوده رژیم آشفته جریان (Re =  6000، 9000 12000و 15000) مطالعه شده است. بر اساس نتایج کار تغییرات شرایط محیطی طی ماه های مختلف تاثیر قابل ملاحظه ای بر عملکرد کلکتور خورشیدی مورد بررسی دارد و مقدار انرژی دریافتی را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد. با تغییر ماه های سال، دمای محیط و تشعشع دریافتی از خورشید متفاوت بوده و این تغییرات تاثیر خود را بر عملکرد حرارتی کلکتور نشان داده اند. بر اساس نتایج در ماه ژوین، بیشترین مقدار انرژی حرارتی به دست آمده است. همچنین تغییر دبی جریان نیز بر عملکرد سیستم به شدت تاثیرگذار است و مقدار انرژی حرارتی دریافتی با زیاد شدن دبی افزایش می یابد. عدد رینولدز بهینه 15000 می باشد که در آن، بیشترین انرژی حرارتی دریافتی وجود خواهد داشت.

    کلیدواژگان: PDSC، بافل، نانوسیال، دوفازی، شار خورشیدی، SIMPLEC، FVM
  • محمد واحدی، یاسر ملایی برزی*، معصومه فیروزی صفحات 90-117

    هدف اصلی مقاله حاضر، دستیابی به مبدل حرارتی کوچک تر و ارزان تر با عملکرد مشابه است. هدف دوم این تحقیق، بررسی تاثیرات استفاده از نانوسیال های پایه روغن در مبدل حرارتی پالایشگاه است. و هدف سوم این مقاله مقایسه نتایج به دست آمده از رویکردهای سینگ و چند فاز است. به دلیل تامین این تقاضا، از نرم افزارهای ANSYS-Fluent و Aspen-HYSYS استفاده شده است. همچنین، نانوسیال MgO-SAE10 در این مقاله با استفاده از رویکردهای دوفاز بررسی شده است. THPEC، معیارهای ارزیابی عملکرد حرارتی - هیدرولیکی و شار حرارتی خاص، q"، نقش اصلی را در این مقاله دارند. در مرحله دوم نویسندگان سعی در دستیابی به یک مدل کارآمد دارند که نه تنها دارای THPEC> 1 باشد، بلکه دارای حداکثر مقدار q" با توجه به نتایج به دست آمده باشد. استفاده از نانوسیال و توربولاتور می تواند عملکرد حرارتی-هیدرولیکی مبدل حرارتی را به طور قابل توجهی افزایش دهد. همچنین نتیجه گرفته می شود که با استفاده از نانوسیال و توربولاتور، هزینه های تولید مبدل های حرارتی پالایشگاه به شدت کاهش می یابد. مبدل حرارتی پرشده از نانوسیال MgO-SAE10 و مجهز به توربولاتور SOL شکل با δ = 0.5 میلی متر، l = 5.8  میلی متر و D = 5.8 میلی متر به عنوان بهترین پیکربندی در این کار پیشنهاد شده است که می تواند خصوصیات حرارتی مبدل حرارتی را حدود 62 بهبود بخشد.

    کلیدواژگان: مبدل حرارتی، توربولاتور خورشیدی شکل، نانوسیال، شبیه سازی دوفازی، THPEC
|
  • Ebrahim Babaei*, Elias Shokati Asl, Sara Laali Pages 2-13

    In this paper, a series Z-source inverter based on a switched inductor cell is proposed for the first time. This inverter is able not only to increase the voltage gain, in comparison with the conventional Z–source inverters, but also to solve the ST (shoot-through) state’s problems. In this inverter, the value of the voltage gain is increased by an increase in the number of used diodes and inductors in the switched inductor cells. The low value of the capacitors’ voltage stress is another advantage of the proposed inverter. The voltage of the capacitors is increased from zero to the desired value by increasing the duty cycle of ST state from zero to the desired value. This leads to a soft start in the proposed inverter, which is impossible in conventional Z-source inverters. In this paper, in addition to investigating the operation of the proposed inverter in different operating modes, the value of voltage stress of the capacitors, current inductors, and the value of voltage gain are also calculated. Moreover, the proposed inverter is compared with the conventional Z-source inverters to investigate the advantages and disadvantages of it. Finally, the accuracy performance of the proposed inverter is verified through the simulation results in PSCAD/EMTDC software programs.

    Keywords: Full-Bridge Inverter, Shoot-Through, Switched Inductors, Voltage Gain, Z-source
  • S. Abolfazl Razavi Alavi, Ebrahim Nemati Lay* Pages 14-29

    A double-cyclone is used as a gas-solid separator in the fluid bed-drying process to prepare dry HDPE powder from a wet feed rate of 56000 kg/hr. Particles’ behavior and flow pattern in the dryer affect the cyclones as effective equipment. In evaluation of this system, the numerical simulation of the fluid flow field and particle dynamics, presented by CFD technique, characterize cyclone pressure drop and turbulence parameters. Navier-Stoke equations through the Euelerian-Lagrangian framework by RNG k-ɛ turbulence model are used as mathematical methods and the calculated results are in an acceptable agreement with industrial parameters. The obtained carrier gas flow rates of 14040, 14011 and 14000 m3hr-1 as thermal energy for PE100, BL3, and EX5 respectively cause excellent flow regime, desired final volatile of 0.04%, 0.06% and 0.07% as well as high separation efficiency in different HDPE grades.  The created flow pattern in the dryer makes the efficient use of the immersed coils as another source of energy for drying the particles. Double-cyclones conduct the minimum escaped contents of 70.2, 75.8 and 76.2 for the distributor section and 69.3, 75.3, 75.9 gr in 1 hr for the scrubbing tower. These rates of dusts provide the optimized electrical energy consumptions with maximum saving value of 17%.

    Keywords: CFD, HDPE, Fluidized Bed Drying, Energy Optimization, Double-Cyclone, Pressure Drop
  • Mohammad Ahmadzadehtalatapeh* Pages 30-43

    Air-Conditioning (AC) systems are responsible for a considerable portion of energy consumption in buildings located in high cooling load requiring regions of Iran. In addition, the heat flow through the buildingschr('39') external walls plays a major role in cooling load estimations for the countrychr('39')s hot regions. Therefore, the application of insulation materials in external walls has gained more interest in recent years. In the present research, a systematic approach to optimize the insulation material thickness has been developed and applied to those regions in Iran which require high cooling load, namely Bandar abbas and Bushehr, through deploying life cycle cost analysis. Moreover, a correlation between optimum thickness and thermal conductivity of insulation materials has been recommended for the buildings located in the above-mentioned hot regions of the country. The study has showed that the relationship between optimum insulation thickness and thermal conductivity has a non-linear trend and obeys a polynomial function.

    Keywords: Building Walls, Insulation Material, Optimum Thickness, Thermal Conductivity
  • Mohammadreza Salarkia, Sa'id Golabi* Pages 44-59

    Energy, environment, and economy are three pieces of a chain which are cohesively bound together and always in a correlation with each other. Therefore, offering a suitable substitution for current fuels that satisfies energy requirements and reduces fuel costs with less pollutant gases needs a detailed assessment of available alternative fuels as well as a complete analysis of Strength, Weaknesses, Opportunities, and Threat (SWOT). A comprehensive overview of the environmental and economic aspects of liquefied natural gas (LNG), as an alternative to marine fuel, is presented with a focus on the codes, standards, regulations, restrictions, and guidelines which are vital for maintaining a balance between market and industry. The various characteristics of LNG has been compared with other fuels and depicted that LNG has lower emission and offers major environmental benefits at regional and global levels.

    Keywords: Liquefied Natural Gas (LNG), Marine Fuel, Heavy Fuel Oil (HFO), Marine Gas Oil (MGO), Marine Diesel Oil (MDO), International Maritime Organization (IMO)
  • Farhad Amiri, Mohammad Hassan Moradi* Pages 60-73

    Microgrid control in the isolated mode is a highly important subject area. In the present paper, a new method is used for controlling isolated microgrids. This method was used based on the classification of the microgrids into two groups, namely fast-dynamic (battery and flywheel) and slow-dynamic (diesel generator, electrolyzer, and fuel cell). For the microgrid components with fast dynamics, a separate controller has been used. Also, another separate controller has been deployed for those components of the microgrid that are characterized by slow dynamics. This method was simulated in MATLAB software. A fractional-order proportional-integral-differential (FOPID) controller optimized by the grey wolf optimizer (GWO) algorithm was used as the proposed controller in the new control strategy. The proposed method was compared with the FOPID controller that has been optimized by particle swarm optimization (PSO) algorithm and genetic algorithm (GA). Besides, it was compared with the common Proportional-Integral-Differential (PID) controller, the coefficients of which have been obtained using the Ziegler-Nichols method, and proportional-integral (PI) controller, the coefficients of which have been obtained using the neural network (NN) method. The obtained results indicated the improved response speed, improved transient-state performance, and an improved steady-state performance of the proposed method compared with those mentioned.

    Keywords: Isolated Microgrid, New Control Strategy, Fractional Order PID Controller, Grey Wolf Optimize
  • Alireza Aghaei, Alireza Fadaei Dahr* Pages 74-89

    A parabolic dish solar collector system is one of the main types of concentrated solar power systems that are based on point focusing and is more beneficial than the other kinds of concentrated solar power systems. Most of the literature concerning concentrated solar power systems focused on thermal losses and their relationship to the receivers with different geometries. A few former researches have investigated the impacts of the real solar flux distribution on the receiverschr('39') absorber surface in parabolic dish solar collector systems. The inaccuracy level appertaining to the isothermal assumption is more than that of a receiver’s walls with constant heat flux, simply due to heat transfer fluid running through the receiver. On the other hand, the constant heat flux approach cannot be so accurate due to the non-uniform distribution of solar heat flux at receiverchr('39')s internal walls. The current paper investigates the usage of a two-phase nanofluid in a baffled parabolic dish solar collector under a non-uniform distribution of solar heat flux. The geometrical parameters of the collector are analyzed in this work; for this purpose, the SIMPLEC algorithm and Finite Volume Method are employed. The heat transfer fluid is based on water/Al2O3 two-phase nanofluid. The most expected average Nusselt number is achieved at Re = 15,000 in June. In the next section, the effects of different Reynolds numbers and months on the predicted average Nusselt numbers will be investigated in detail. Finally, the PDSC with Z = 70 mm and F = 600 mm filled with nanofluid at  = 4% and dnp = 20 nm is introduced as the most efficient model in the present investigation.

    Keywords: PDSC, Baffle, Nano-fluid, Two-phase, Real Solar Flux, SIMPLEC, FVM
  • Mohammad Vahedi, Yaser Mollai Barzi*, Masomeh Firouzi Pages 90-117

    The main aim of the present article is to produce a smaller and cheaper heat exchanger with similar performance. The second goal of this investigation is to study the effects of using oil-based nano-fluids in a refinery heat exchanger. The third objective of this paper is to compare the results which are obtained from the singe- and multi-phase approaches. To fulfill this demand, ANSYS-Fluent and Aspen-HYSYS softwares are employed. Also, MgO-SAE10 nanofluid is studied in this paper using two-phase approaches. The THPEC, Thermal-Hydraulic Performance Evaluation Criteria, and specific heat flux, q", have major roles in this paper. In the second step, the authors try to achieve an efficient model which has not only the THPEC > 1 but also the maximum value of q". According to obtained results, the usage of nanofluid and turbulators can enhance thermal-hydraulic performances of the heat exchanger significantly. Furthermore, it is concluded that by employing nanofluid and turbulators, the cost of manufacturing refinery heat exchangers are sharply reduced. A heat exchanger filled with MgO-SAE10 nanofluid and equipped with SOL-shaped turbulators with =0.5mm, =5.8mm and =5.8mm is suggested as the best configuration, which can improve the thermal characteristics of heat exchanger about 62% in this work.

    Keywords: Heat Exchangers, Sun-Shape Turbulators, Nanofluid, Two-Phase Simulation, THPEC