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