فرامرز هرمزی : استادیار مهندسی شیمی دانشگاه سمنان با گرایش محاسبات عددی و مدلسازی جواد بیات : دانشجوی کارشناسی دانشگاه سمنان شاهین صداقت شریفی : مهندس مکانیک، مدیر کنترل کیفیت شرکت گاز استان سمنان سمنان، دانشکده مهندسی دانشگاه سمنان – fhormozi@semnan.ac.ir ارائه شده در یازدهمین کنگره ملی مهندسی شیمی ایران – تهران- دانشگاه تربیت مدرس- ٧ الی ٩ آذرماه ۱۳۸۵ چکیده :  تعیین درجه حرارت هوای فشرده درون لوله های شبکه، یکی از مهمترین عوامل در آزمایش مقاومت نشتی شبکه های گاز رسانی است . اما در این آزمایش چند سوالاتی وجود دارد از قبیل: آیا ٢۴ ساعت زمان آرام سازی کافی است؟ درجه حرارت محیط در این آزمایش چه اثری دارد؟ اثر سایر عوامل (از قبیل قطر لوله، وضعیت نصب چاله حرارتی نسبت به لوله گاز، جنس خاک ) در این آزمایش چیست؟ در این مقاله مبانی نظری این آزمایش بررسی و معادلات انتقال حرارت مربوطه استخراج شد. این معادلات با روش دینامیک سیالات محاسباتی CFD و نرم افزار Fluent حل شد. برای بررسی صحت و دقت نتایج محاسبه شده ، از مقادیر اندازه‌گیری شده در آزمایش مقاومت نشتی شرکت گاز استان سمنان استفاده شد و در پایان پاسخ سوالات فوق به دست آمد. زمان آرام سازی در فصول مختلف سال متفاوت است و با افزایش قطر لوله، زمان آرام سازی تغییر می کن د. با این وجود ۲۴ ساعت زمان آرام سازی مناسب است. در طول شبانه روز، درجه حرارت محیط متغیر است . این تغییرات از طریق بدنه فلزی چاله حرارتی و حسگر مربوطه به روغن موجود در انتهای چاله منتقل می شود بنابرای ن درجه حرارت چاله های حرارتی نیز در طول شبانه روز با دامنه کمتری تغییر میکند که این تغییرات کاذب است. بهترین شیوه نصب چاله های حرارت ی، هم راستا بودن محوری آنها با لوله گاز است و جنس خاک منطقه در آزمایش مقاومت نشتی موثر نیست. این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید مقدمه استفاده از لوله های غیر فلزی در صنعت گاز فرانسه در سال ۱۹۶۰ میلادی آغاز شد . از آن زمان تاکنون، لوله های غیرفلزی در بسیاری از کشورها به کار برده شده است. پلی اتیلن یکی از مناسبترین مواد برای ساخت لوله‌های توزیع گاز مدفون است. زیرا لوله‌های پلی اتیلنی دارای وزن کم، انعطافپذیری زیاد و مقاومت شیمی ایی، سایشی و خوردگی مناسب هستند . استفاده از لوله‌های پلی اتیلنی در شبکه‌های گازرسانی ایران در حال گسترش است. این لوله ها در شبکه های گازرسانی با فشار بهره برداری تا 60 psig به کار برده میشوند. علیرغم تغییرات ایجاد شده در جنس لوله ها، روش آزمایش مقاومت نشتی تغییر نکرده و به این صورت انجام می شود که پس از حفر کانال، لوله گذاری و پر کردن کانال، هوای فشرده با فشار تقریبی یک و نیم برابر فشار بهره برداری به درون لوله‌های مدفون تزریق میشود. درجه حرارت هوا در اثر تراکم افزایش یافته و به حدود 350K میرسد. این درجه حرارت از درجه حرارت لوله های مدفون و خاک اطراف آن بیشتر است بنابراین برای هم دمایی هوای درون لوله ها و محیط اطراف آن، ۲۴ ساعت زمان آرام سازی در نظر گرفته و پس از آن در دو روز متوالی و با فواصل زمانی دوساعت، درجه حرارت نقاط مختلف در طول خط لوله اندازه‌گیری می شود. طبق روش مرسوم، درجه حرارت هوای فشرده درون لوله ها به طور مستقیم اندازه گیری نمیشود بلکه درجه حرارت در چند چاله حرارتی تعبیه شده در نزدیکی لوله های شبکه (شکل ۱) اندازه گیری میشود. اما میان درجه حرارت اندازه گیری شده در چاله‌های حرارتی و درجه حرارت هوای فشرده درون لوله های شبکه چه رابطه ای وجود دارد؟ آیا درجه حرارت تعیین شده در چاله های حرارتی با درجه حرارت هوای فشرده درون لوله های شبکه برابر است؟ آیا زمان آرام سازی ( زمان همدمایی بین چاله های حرارتی و هوای فشرده داخل لوله های شبکه ) کافی است؟ سایر عوامل نظیر قطر لوله، موقعیت نصب چاله های حرارتی نسبت به لوله، جنس خاک، درجه حرارت محیط چه اثری در این آزمایش دارند؟ برای پاسخ به سوالات فوق از مدلسازی و حل عددی معادلات استفاده می شود . مقالاتی در ارتباط با مدلسازی انتقال حرارت از لوله عایق دار منتشر شده است . اما مقالات منتشر شده در مورد انتقال حرارت از لوله های پلی اتیلنی مدفون، بسیار محدود است . در این مقاله مبانی نظری این مساله بررسی و معادلات انتقال حرارت مربوطه استخراج شد. یکی از ویژگی های این مقاله، در نظر گرفتن انتقال حرارت جابجایی آزاد برای هوای فشرده درون لوله ها است . این معادلات با روش های عددی دینامیک سیالات محاسباتی CFD و با استفاده از نرم‌افزار Fluent حل شد. مقدار و اثر عوامل مختلف روی نتایج نیز بررسی شد . برای تعیین صحت و دقت نتایج محاسب اتی، از مقادیر اندازه گیری شده در آزمایش مقاومت نشتی شرکت گاز استان سمنان و مقادیر تجربی منتشر شده، استفاده شد. تعریف مساله کانالی به عمق 5 متر حفر می شود. در کف کانال به ارتفاع ده سانتی متر، / ۱ متر و پهنای ۵ /۴-۱/ برای لوله گذاری، خاک رس ریخته و لوله گاز در کانال قرار داده می شود . روی لوله به ارتفاع بیست سانتی متر خاک رس ریخته می شود .سپس نوار هشدار دهنده وجود لوله گاز روی سطح خاک رس قرار داده شده و در پایان، خاک خارج شده از کانال به داخل آن باز گردانده می شود. در شکل ( ۱) طرح ساده ای از کانال، لوله گاز و قسمت های مختلف آن نشان داده شده است. در شبکه لوله های گاز ایران از لوله های پلی اتیلنی PE-2406 , PE 3408 استفاده می شود . قطر لوله های مورد بررسی در این طرح ۶۳،۹ , 110 , ۱۲۵ و ۱۶۰ میلی متر است. طبق استاندارد موجود، نسبت قطر به ضخامت این لوله ها یازده  SDR 11 است بنابراین با داشتن قطر هر لوله، ضخامت آن نیز تعیین می شود.

شکل ( ۱) طرح ساده ای از کانال، لوله گاز و قسمت های مختلف آن. در اطراف لوله گاز فقط خاک رس وجود دارد.

برای انجام آزمایش مقاومت نشتی از هوای فشرده استفاده می شود . هوا با درجه حرارت تقریبی 350K و با فشار حدود 100 – 110 PSI به درون لوله های پلی اتیلن تزریق می شود . متوسط درجه حرارت اولیه لوله و خا ک اطراف آن در فصول مختلف سال بین حداقل صفر تا حداکثر سی درجه سانتیگراد تغییر می کند . محاسبات فقط برای دو حالت حداقل و حداکثر درجه حرارت انجام شد.

این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید

نتایج و بحث در شکل ( ۳) نتایج محاسبات انتقال حرارت گذرا برای لوله با قطر ۱۶۰ میلی متر بصورت خطوط درجه حرارت ثابت در طول زمان آورده شده است . تغییرات درجه حرارت برای سایر لوله های با قطر کمتر از ۱۶۰ میلی متر، از این مقادیر کمتر است. مشاهده می شود که با انجام تبادل حرارت میان هوا و جداره داخلی لوله، بتدریج حد اکثر درجه حرارت هوا کم می شود. درون لوله جریان جابجایی آزاد ایجاد می شود . این جریان باعث افزایش نرخ انت قال حرارت به جداره داخلی لوله می شود. حرارت منتقل شده در جداره داخلی لوله به طریق هدایت به بیرون لوله نفوذ می کند که با تغییر رنگ در طول زمان مشخص شده است .در بیرون لوله خاک رس وجود دارد که حرارت عبوری از جداره لوله وارد آن می شود . در اینجا از مقاومت سطح تماس میان لوله و خاک صرف نظر شده است . وجود این مقاومت باعث کاهش حرارت منتقل شده میان این دو جسم می شود. محاسبات نشان می دهد که بیشترین زمان برای همدمایی هوا و محیط اطراف آن ۱۵۰ دقیقه است. در شکل ( ۴) تغییر درجه حرارت در داخل لوله، جداره لوله و خاک اطراف آن بصورت منحنی نشان داده شده است . در چنین شرایطی، تغییر درجه حرارت ایجاد شده در محل چاله حرارتی کمتر از یک دهم درجه است که با توجه به دقت حسگر حرارتی مورد استفاده، این تغییر درجه حرارت قابل اندازه گیری نیست.

شکل ۲.در شبکه بندی این مساله از ۹۸۵۰ سلول با سه نوع مختلف استفاده شد. شبکه دایره ای برای درون لوله، جداره لوله و فضای بزرگی به شعاع ۲۰۰ میلی متر در اطراف لوله انتخاب شد. در قسمت بالایی کانال از شبکه مستطیل شکل یکسان استفاده شد و فاصله بین این دو منطقه، با شبکه های مثلثی پر شد

محاسبات با درجه حرارت محیط صفر درجه نیز تکرار و ملاحظه شد که با کاهش درجه حرارت محیط، زمان آرام سازی از دو و نیم ساعت به حدود سه ساعت افزایش یافت اما بهر حال این زمان از ۲۴ ساعت زمان در نظر گرفته شده برای آرام سازی، بسیار کمتر است. شکل ( ۳) نشان می دهد که منطقه متاثر از درجه حرار ت هوای گرم داخل لوله فقط در محدوده خاک رس اطراف لوله قرار دارد بنابراین خاک منطقه در این آزمایش بدون تاثیر است . همچنین در این شکل مشاهده می‌شود که بیشترین درجه حرارت جداره لوله و خاک اطراف آن، در بالاترین قسمت لوله قرار دارد . بعلاوه توزیع درجه حرارت در سطح مقطع لوله متقارن است. این موارد به دلیل وجود پدیده جابحایی آزاد در انتفال حرارت درون لوله است. به این ترتیب که گرم ترین هوا در بالاترین قسمت لوله جمع می شود و با تبادل حرارت با جداره داخلی لوله و سرد شدن، جای خود را به هوای گرم تر لایه های پایین تر میدهد و هوای سرد شده از مجاور دیواره لوله پایین می آید . از این موضوع می توان نتیجه گرفت که مناسب ترین مکان برای نصب چاله حرارتی، در راستای محور عمودی سطح مقطع لوله (مانند وضعیت نشان داده شده در شکل ( ۱)) است. شکل ( ۳) نتایج محاسبات انتقال حرارت گذرا برای لوله با قطر ۱۶۰ میلی متر بصورت مناطق با درجه حرارت ثابت در طول زمان در مرحله بعدی، اثر درجه حرارت محیط بر درجه حرارت اندازه گیری شده چاله حرارتی ( که معادل با درجه حرارت هوای داخل لوله فرض می شود ) مورد بررسی قرار گرفت . برای مدل کردن اثر درجه حرارت محیط در آزمایش مقاومت نشتی ، ابتدا منابع گرمایی خاک شناسایی شد. منبع اصلی گرمایش خاک، تابش خورشید است. بخش بزرگی از انرژی خورشید توسط اتمسفر زمین، ابرها، دی اکسید کربن و بخار آب و ذرات معلق موجود در هوا به فضا بازتاب و یا جذب شده و فقط بخش کوچکی از انرژی تابشی خورشید به سطح زمین میرسد . بخشی از انرژی رسیده به سطح زمین، بازتاب شده و بخش دیگری از آن برای تبخیر آب موجود در سطح زمین مصرف می شود . به این ترتیب فقط بخش کوچکی از انرژی تابشی خورشید برای گرم کردن خاک در طول روز مصرف می شود . مقدار افزایش درجه حرارت خاک به موقعیت محل، صافی هوا، ناهمواری های سطح زمین، جنس و رنگ خاک وابسته است . از طرف دیگر در طول شب، بخشی از انرژی سطح زمین به محیط منتقل می شود . بنابراین انرژی گرمایی وارد شده به لایه های مختلف خاک در طول روز، بتدریج در طول شب خارج می شود. محاسبات اتنقال حرارت در طول ۲۴ ساعت ( یک شبانه روز ) نشان می دهد که به دلیل کوچک بودن ضریب پخش حرارتی خاک، درجه حرارت لایه های فوقانی، حداکثر تا عمق ۵۰ سانتی متری تغییر می کند. از عمق ۵۰ سانتی متر پایین تر، درجه حرارت خاک در طول شبانه روز ثابت است . اندازه‌گیری های تجربی درجه حرارت خاک در طول شبانه روز این محاسبات را تایید می کند. بنابراین انتظار میرود تغییر درجه حرارت محیط در طول شبانه روز روی درجه حرارت هوای داخل لوله ها و چاله های حرارتی که درعمق بیشتر از یک متری خاک قرار دارند، بدون اثر باشد . اما اندازه‌گیری‌های شرکت گاز سمنان نشان می دهد که با تغییر درجه حرارت محیط در طول شبانه روز، درجه حرارت خوانده شده در چاله های حرارتی نیز تغییر می کند . ممکن است یکی از دلایل این مساله، انتقال حرارت توسط جداره فلزی غلاف چاله حرارتی از سطح زمین به روغن موجود در انتهای چاله باشد. برای بررسی درستی این فرضیه، قسمت بالای غلاف چند چاله حرارتی عایق بندی شده و مشاهده شد که در طول شبانه روز، تغییرات درجه حرارت خوانده شده از چاله حرارتی کمتر شد . این نتیجه تایید کننده فرضیه انتقال حرارت توسط غلاف فلزی چاله حرارتی است . بنابراین پیشنهاد می شود که بدنه چاله های حرارتی در آزمایش مقاومت نشتی از مواد غیر فلزی ساخته و در انتهای آن یک محفظه فلزی تعبیه شود. نتیجه گیری در این مقاله مبانی نظری آزمایش مقاومت نشتی لوله های گاز مورد بررسی قرار گرفت. در مدلسازی انتقال حرارت درون لوله، جابجایی آزاد به کار گرفته شد . عوامل موثر بر ضریب هدایت حرارتی خاک به تفصیل بررسی شد . معادلات حاکم بر این مساله با روش های CFD و نرم‌آفزار Fluent  حل و مشخص شد که زمان مورد نیاز برای همدما شدن هو ای فشرده درون لوله و محیط اطراف آن (زمان آرام سازی ) در فصول مختلف سال متفاوت است . اما ۲۴ ساعت با ضریب اطمینان بزرگ برای آن مناسب است. نتیجه دیگر این تحقیق ناچیز بودن اثر تغییرات درجه حرارت محیط بر نتایج آزمایش مقاومت نشتی است . تغییراتی که هم اکنون مشاه ده می‌شود در اثر انتقال حرارت جداره فلزی چاله حرارتی است که با اصلاح آن این تغییرات حذف می شود . همچنین مشخص شد که بهترین وضعیت نصب چاله حرارتی، در راستای محور عمودی سطح مقطع لوله است. تقدیر و تشکر نویسندگان این مقاله ازحمایت های شرکت گاز استان سمنان برای تامین هزینه های اجرای این طرح پژوهشی، سپاسگزاری می کنند. مراجع ۱-اختیارزاده امیر سعید، مکانیک وسایل و دستگاه‌های گازرسانی، آموزش نیروی انسانی شرکت ملی گاز ایران ۱۳۸۱ 2- CEN 1555-2, Plastics piping systems for gaseous fuels supply PE, part 2 1996 3- Materials and Equipment qualified for use in natural gas systems, 4acfr part 192 2002 4- Zaki G. M. et al, Optimization of multilayer thermal insulation for pipelines, Heat Transfer Eng. Vol.21, 2000 5- Campo, A. Quick Algebraic Estimate of the Thickness of insulation for pipelines, Heat transfer Eng.Vol. 23, 2002 6- Patankar S., Numerical heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere, Washington D.C. 1980 7- Fluent Manual, Fluent Int. 1998 8 –  Ghildyal, B.P., Soil Physics, Wiley Eastern Limited, 1987 این مقاله به صورت خلاصه در سایت قرار گرفته است و برای دریافت آن به صورت کامل شامل فرمول‌ها و نتایج به سایت سیویلیکا مراجعه نماید