فهرست مطالب

مهندسی مکانیک امیرکبیر - سال پنجاه و پنجم شماره 9 (آذر 1402)

مجله مهندسی مکانیک امیرکبیر
سال پنجاه و پنجم شماره 9 (آذر 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/09/01
  • تعداد عناوین: 6
|
  • حسین امیری*، محمد حسین کریم صفحات 1045-1061

    هدف اصلی این مطالعه بررسی اقتصادی به کارگیری آب شیرین کن های ثابت و شناور در سواحل مکران است. با توجه به اینکه روش اسمز معکوس از عملکرد بهتری برخوردار است و اثرات زیست محیطی به مراتب پایین تری نسبت به سایر روش ها دارد، در این مطالعه مبنای بررسی اقتصادی آب شیرین کن ها بر اساس روش اسمز معکوس است. همچنین با توجه به این که برای پروژه های دولتی تنها قیمت نهایی یا به عبارتی دیگر قیمت تمام شده مد نظر است، روش ارزش یکنواخت هزینه ها در طول عمر مفید انتخاب شده است.بر اساس اطلاعات دفتر برنامه ریزی کلان برق و انرژی وزارت نیرو، نتایج نشان می دهد که شیرین سازی آب دریا در قالب احداث یک کارخانه (آب شیرین کن ثابت) در مقایسه با آب شیرین کن شناور دارای صرفه اقتصادی است، به گونه ای که هزینه یکنواخت تولید در فناوری آب شیرین کن ثابت 2000 و در فناوری آب شیرین کن شناور  9700 ریال بر مترمکعب محاسبه شده است. همچنین آزمون های تحلیل حساسیت بر اساس نرخ تنزیل، ضریب ظرفیت تولید و نوسانات هزینه سوخت نشان می دهد از یک طرف فناوری آب شیرین کن شناور نسبت به آب شیرین کن ثابت تحت حساسیت بیشتری نسبت به متغیرهای فوق است و از طرف دیگر تغییرات این متغیر اثری بر تغییر اولویت اقتصادی ندارد.

    کلیدواژگان: آب شیرین کن، تحلیل اقتصادی، قیمت تمام شده، سواحل مکران، اسمز معکوس
  • مصطفی مختاری، محمد مهدی کشتکار*، عبدالله عباسلو صفحات 1063-1087

    با توجه به بحران انرژی و آب آشامیدنی، همچنین بروز مشکلات زیست محیطی فراوان در اثر استفاده از سوخت های فسیلی، ضروری می باشد که از حرارت اتلافی تجهیزات صنعتی برای تولید آب قابل شرب بدون استفاده از منبع انرژی دیگر استفاده شود. سیکل تبرید تراکمی آبشاری یکی از تجهیزات صنعتی پرکاربرد می باشد که حرارت اتلافی با ارزش در دمای بالا دارد. در این تحقیق انرژی اتلافی مذکور به عنوان یک منبع انرژی مستقل برای تولید آب قابل شرب در سیستم آب شیرین کن حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد. در کار حاضر آب شیرین کن تبخیری سه اثره با سیکل تبرید آبشاری ترکیب شده است. ضمن مقایسه 28 زوج سیال عامل مورد با یکدیگر، در نهایت با استفاده از یک روش امتیاز دهی، براساس اولویت های متفاوت سناریو های مختلفی در نظر گرفته شد و بهترین زوج سیال عامل مشخص گردید. نتایج نشان داد که کمترین توان مصرفی کمپرسور ها متعلق به زوج سیال عامل R600-R717 می باشد. از طرف دیگر بیشترین دبی جرمی آب تولیدی، کمترین فضای اشغالی و همچنین کمترین هزینه سرمایه گذاری زمانی رخ می دهد که از زوج سیال عامل R744-R600A استفاده گردد. با استفاده از روش امتیاز دهی مشخص شد که زمانی تمام شاخص ها برای انتخاب زوج سیال عامل لحاظ شوند، حتی در سناریو های مختلف با اولویت های متفاوت، بهترین انتخاب زوج سیال عامل R600-R717 می-باشد.

    کلیدواژگان: سیستم آبشاری، آب شیرین کن حرارتی، انرژی اتلافی، آب قابل شرب
  • محمدعلی صباغی، محمد سفید* صفحات 1089-1111

    در این پژوهش، یک سیستم تولید سه گانه توان، حرارت و برودت که توسط انرژی های خورشیدی و زیست توده راه اندازی می شود، از دیدگاه انرژی، اگزرژی، اقتصادی و محیط زیستی تحلیل و بررسی شده است. از انرژی خورشیدی، برای تولید هیدروژن استفاده می شود (از طریق الکترولایزر غشای پروتونی که برق آن از پانل های فتوولتائیک حرارتی تامین می گردد). هیدرژن و زیست توده به عنوان سوخت در محفظه احتراق های سیکل توربین گاز مورد استفاده قرار می گیرند. سیکل توربین گاز پیشنهادی دارای دو توربین فشار بالا و فشار پائین و دو کمپرسور همراه با خنک کاری میانی می باشد. از سیکل ترکیبی رانکین آلی- تبرید تراکمی که با حرارت بازیافتی توربین گاز کار می کند برای تولید برودت و خنک کاری هوا در مرحله تراکم میانی استفاده می شود. نتایج حاصل از محاسبات نشان می دهد که سیستم ترکیبی پیشنهادی دارای بازده انرژی و اگزرژی %21 و %17 و انتشار 0/00884کیلوگرم بر ثانیه دی اکسید کربن می باشد. بیشترین هزینه سرمایه گذاری تجهیزات مربوط به الکترولایزر غشاء پروتونی با مقدار$/hr  44/15 بوده و هزینه کل محصولات تولیدی0/5627  $/MJ  بدست آمده است. همچنین با خنک کاری میانی کمپرسورها، راندمان های انرژی و اگزرژی سیستم به ترتیب 6 و 4 درصد افزایش پیدا کرده است.

    کلیدواژگان: تولید سه گانه، هیدروژن، زیست توده، اگزرژی - اقتصادی، زیست محیطی
  • صباح حمیدی*، محمد جعفر کرمانی صفحات 1113-1134
    در این مقاله، حل عددی جریان تراکم پذیر، حدود صوت، گذرا، غیر لزج و دو فاز هوای مرطوب در نازل های همگرا-واگرا مورد مطالعه قرار گرفته است. برای انجام این کار، هر دو مدل ترمودینامیک تعادلی و غیر تعادلی با روش عددی ‏رو‏ در نظر گرفته شده و نتایج با هم مقایسه شده است. در مدل ترمودینامیک تعادلی حل عددی دارای دقت مرتبه سوم مکانی و دقت مرتبه دوم زمانی است اما در مدل ترمودینامیک غیر تعادلی، دقت مرتبه اول مکانی و دقت مرتبه دوم زمانی بکار گرفته شده است. برای جریان هوای مرطوب در ناحیه خشک، خواص اصلی فشار، دما و سرعت برون یابی شده، اما برای ‏ناحیه مرطوب (دو فاز)، کیفیت به جای فشار در مرز گره برون یابی شده است. در این تحقیق تاثیر هندسه نازل و شرایط سکون بر روی رطوبت خروجی از نازل و نرخ جوانه زایی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که با افزایش نرخ انبساط سطح نازل تقطیر زودتر رخ داده و همچنین نرخ جوانه زایی و رطوبت خروجی از نازل نیز افزایش می یابد. با وصف اینکه در مدل ترمودینامیک غیر تعادلی دقت مکانی مرتبه اول بکار گرفته شده است اما نتایج حاصل از این مدل تطابق بهتری با نتایج تجربی دارد.
    کلیدواژگان: روش عددی رو، هوای مرطوب، رطوبت، ترمودینامیک تعادلی، ترمودینامیک غیر تعادلی
  • امیرحسین کریمی، نیما امانی فرد*، حسام مویدی صفحات 1135-1156
    در مقاله حاضر، تاثیر جریان ثانویه ناشی از محرک پلاسما بر الگوی جریان درون یک سیکلون و عملکرد جداسازی ذرات جامد آن به صورت عددی بررسی شده است. در این مطالعه، تاثیر پارامترهای موثر از قبیل ولتاژ اعمالی محرک پلاسما، آرایش محرک های پلاسما، سرعت جریان ورودی به سیکلون و اندازه ذرات جامد مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان می دهد که عملکرد جداسازی سیکلون در حضور محرک پلاسما در تمامی ذرات با قطرهای مختلف بین 1 الی 2 میلی متر، نسبت به سیکلون بدون حضور پلاسما افزایش می یابد و مقدار این افزایش بازده در ذرات با قطر بزرگ تر (2 میلی متر)، بیشتر می باشد. نتایج حاکی از آن است که با افزایش ولتاژ اعمالی به محرک های پلاسما، بیشینه سرعت مماسی درون سیکلون و عملکرد جداسازی آن افزایش می یابد. همچنین آرایش قرارگیری محرک های پلاسما تاثیر قابل توجهی بر الگوی جریان و عملکرد جداسازی ذرات درون سیکلون دارد، به نحوی که نصب یکنواخت محرک های پلاسما در کل ارتفاع بخش استوانه ای سیکلون (آرایش نوع یک) موجب بهبود عملکرد جداسازی ذرات نسبت به سایر آرایش ها می گردد. همچنین نتایج نشان دهنده این است که استفاده از محرک پلاسما درون سیکلون موجب بهبود 5/26 درصدی عملکرد جداسازی سیکلون نسبت به حالت بدون محرک پلاسما می شود.
    کلیدواژگان: سیکلون، محرک پلاسما، مدل فاز گسسته، بررسی عددی، عملکرد جداسازی ذرات
  • امیرحسین حسین، علیرضا ربیعی*، فرهاد قدک صفحات 1157-1172
    یکی از روش های موثر در بهبود عملکرد ملخ استفاده از برآمدگی در پره با الهام از موجودات طبیعی و مبنای کنترل جریان غیر فعال می باشد. در این تحقیق کارایی یک ایده ی ابتکاری، از جنبه ی آیرودینامیکی با تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی و از جنبه ی آیروآکوستیکی با آزمایش تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. این ایده با ایجاد برآمدگی های همزمان به شکل موج در لبه های حمله و فرار پره، با طول موج 6 میلی متر و دامنه ی برآمدگی 3 درجه در راستای تغییر گام پره از نزدیکی ریشه تا نوک پره مورد مطالعه قرار گرفته است. بررسی بهبود کارایی آیرودینامیکی پیشروی با شبیه سازی عددی به روش قاب مرجع چرخان و بررسی بهبود کارایی آیروآکوستیکی ایستایی با آزمایش تجربی حاصل از کالیبراسیون حس گرهای میکروفون انجام شده است. تحلیل سیالات محاسباتی به روش حجم محدود بر پایه المان محدود و حل معادلات متوسط گیری شده ناویر استوکس با مدل کی.امگا.اس.اس.تی نسبت به آزمایش تجربی مرجع صحت سنجی شده است. با مطالعه ی استقلال نتایج، میدان و شبکه ی محاسباتی مناسبی برای شبیه سازی عددی حاضر تعیین شده است. نتایج، افزایش بازدهی آیروینامیکی 7/5درصد در نسبت پیشروی معادل با بیشینه ی بازدهی و افزایش 22 درصد در سایر نسبت های پیشروی را نشان می دهد. کاهش شدت صوت بیشینه در بسامد معادل با هارمونیک اصلی،4/1 درصد در ناحیه ی مجاور صفحه ی روتور و 8/3 درصد در ناحیه ی پشت روتور بهبود عملکرد آیروآکوستیک را نشان می دهد.
    کلیدواژگان: برآمدگی موجی همزمان پره، کنترل غیرفعال جریان، شبیه سازی قاب مرجع چرخان، آزمایش آیروآکوستیک ملخ، الهام از طبیعت
|
  • Hossein Amiri *, Mohammad Hossein Karim Pages 1045-1061

    Water plays an important role in human life and is one of the first human needs for survival. Therefore, due to population growth and industrialization and therefore the lack of water resources in the world especially in Iran, its supply needs special attention. Currently, 97.5% of the water resources on the planet cannot be used. The main purpose of this study is the economic study of the use of fixed and floating freshwater in Makran beaches. One of the most important methods in this field is the desalination and desalination processes of seawater. Given that for government projects, only the final price or in other words the cost price is considered, the method of levelized cost of production over the useful life has been chosen. According to the information of the Electricity and Energy Master Planning Office of the Ministry of Energy, the results show that the desalination of seawater in the form of building a factory (fixed desalination plant) is more economical compared to the floating desalination plant, in such a way that the levelized cost of production in fixed desalination technology is 2000 and in floating desalination technology is 9700 rials per cubic meter. Also, sensitivity analysis tests based on the discount rate, production capacity coefficient, and escalation rate of fuel cost show that on one hand, floating desalination technology is more sensitive to the above variables than fixed desalination, and on the other hand, the change of this variable has no effect on changing the economic priority. The results show that seawater desalination in the form of a factory (fixed desalination) is economical compared to floating desalination.

    Keywords: Seawater Desalination, Economic Analysis, Final Price, Makran Beaches
  • Mostafa Mokhtari, Mohammad Mehdi Keshtkar *, Abdollah Abbasloo Pages 1063-1087

    Regarding the energy and potable water crisis and many environmental problems due to the use of fossil fuels, it is necessary to utilize the waste heat of industrial equipment to produce potable water without using another energy source. The cascade refrigeration cycle is one of the widely used industrial equipment, which has valuable waste heat at a high temperature. In this research, the mentioned waste energy is used as an independent energy source to produce potable water in the thermal desalination system. The present work combines a three-effect distillation desalination system with a cascade refrigeration cycle. Along with comparing the 28 working fluid pairs, a scoring method was used to determine the best working fluid pair due to the different scenarios and priorities. The results showed that the lowest power consumption of compressors belongs to R600-R717 working fluid pair. Moreover, the highest mass flow rate of produced potable water, the lowest occupied space and the lowest related investment cost happen when R744-R600A is considered. Using the scoring method, it was determined that when all indicators are considered for selecting the working fluid pair, even in different scenarios with different priorities, the best choice is R600-R717.

    Keywords: Cascade System, Thermal Desalination System, Wasted Energy, Potable Water
  • Mohammad Ali Sabbaghi, Mohammad Sefid * Pages 1089-1111

    In this research, a novel trigeneration system driven by biomass-solar energies has been investigated from energy exergy, economic and environmental viewpoints. The solar energy is used to produce hydrogen (by a PEM electrolyzer powered by thermal photovoltaic panels). To meet the intermittent nature of solar energy, it is used for hydrogen production. The hydrogen is used as fuel in the combustion chamber. The proposed gas turbine cycle consists of two high and low-pressure turbines and two compressors with an intercooler. A combined organic Rankine-vapor compression refrigeration cycle that uses the recovered heat from the gas turbine is used to produce refrigeration and air cooling in the interstage compressor. The obtained results provide that the combination of solar-based hydrogen production and biomass-based gas turbine leads to an increase in power production capacity. The proposed combined system provides an energy and exergy efficiency of 21% and 17% and the emission of 0.00884 kg/s of CO2. The highest capital cost rate among the components is attributed to the PEM electrolyzer, amounting to 15.44 $/hr, and the total cost of the products has reached 0.5627 $/MJ. Using an intercooler, the energy and exergy efficiencies of the system have increased by 6% and 4%, respectively.

    Keywords: Trigeneration, Biomass, Solar, Exergoeconomic, Exergoenvironmental
  • Sabah Hamidi *, Mohammad J. Kermani Pages 1113-1134
    In this paper, the numerical solution of compressible, transonic, unsteady, inviscid, and two-phase of moist-air flow in converging-diverging nozzles is studied. To do so, both equilibrium and non-equilibrium thermodynamic models with Roe's scheme are considered and the results are compared. In the equilibrium thermodynamic model, the solver is spatially third-order and temporally second-order accurate, but in non-equilibrium thermodynamic model, the solver is spatially first-order and temporally second-order accurate. For the moist air in dry regions the pressure, temperature, and velocity are extrapolated while in wet regions the steam quality has been used instead of pressure. In this study, the influence of the geometry expansion rate and inlet total temperature and pressure on nucleation rate and the wetness fraction at the nozzle exit are investigated. The results show that by increasing the expansion rate of the nozzle the condensation onset occurs earlier; also, the nucleation rate and wetness fraction at the nozzle exit is increased. Comparing the results of equilibrium and non-equilibrium thermodynamic models shows that the non-equilibrium thermodynamic model has better agreement with the experimental data.
    Keywords: Roe's Scheme, Moist Air, Wetness Fraction, Equilibrium Thermodynamic, Non-Equilibrium Thermodynamic
  • Amirhossein Karimi, Nima Amani Fard *, Hesam Moayedi Pages 1135-1156
    In this paper, the effect of secondary flow induced by the DBD plasma actuators on the flow and separation performance of solid particles in a cyclone is numerically investigated. The effect of the effective parameters such as the applied voltage of the DBD plasma actuator, the arrangement of plasma actuators, the velocity of the incoming flow of the cyclone, and the size of solid particles are evaluated. The results show that the separation performance of the cyclone in the presence of the DBD plasma actuators increases in all particles with different diameters between 1 and 2 mm, compared to the cyclone without the presence of plasma actuator, and the performance enhancement is higher in the particles with a larger diameter (2 mm). The arrangement of plasma actuators has a significant effect on the particle separation performance of the cyclone, and the uniform installation of plasma actuators in the entire height of the cylindrical part of the cyclone (type one arrangement) improves the particle separation performance compared to other arrangements. The results show that the use of the DBD plasma actuators inside the cyclone can increase the cyclone separation performance by 26.5% compared to the cyclone without the DBD plasma actuator.
    Keywords: Cyclone, Plasma Actuator, DPM, Numerical Investigation, Particle Separation Performance
  • Amirhossein Hossein, Alireza Rebiee *, Farhad Ghadak Pages 1157-1172
    One of the effective methods in improving the performance of propellers is the use of tubercles on blades inspired by nature and the basis of passive flow control. In this research, the effectiveness of an innovative idea has been investigated from an aerodynamic aspect with computational fluid dynamics analysis and from aeroacoustic aspect with experimental testing. This idea has been studied by creating wavy simultaneous tubercles on leading and trailing edges with a wavelength of 6 mm and an amplitude range of 3 degrees in pitch direction from near the root to tip of the blade. Improvement of aerodynamic efficiency has been done by numerical simulation using the rotating reference frame method, and improvement of static aeroacoustic efficiency has been done with experimental tests resulting from the calibration of microphone sensors. Computational fluid analysis using the finite volume method based on finite elements and solving Reynolds averaged Navier-Stokes equation with K-Omega-SST model has been validated from reference experimental test. By studying the independence of results, the appropriate computing domain and grid for numerical simulation of flow has been determined. Results show an increase in aerodynamic efficiency of 7.5% in advance ratio equivalent to maximum efficiency and an increase of 22% in others. Reduction of maximum sound intensity in frequency equivalent to the main harmonic of the propeller, 1.4% in the area near the rotor plate and 3.8% in the area behind the plate, shows improvement of aeroacoustic performance.
    Keywords: Blade Synchronic Wavy Tubercle, Passive Flow Control, Rotating Reference Frame Simulation, Propeller Acoustic Experiment, Inspiration From Nature