تولید آنتروپی در یک شبکه فوق توزیع گاز شهری نمونه با لوله های فولادی و پلی اتیلن

علی حیدری : استادیار، مرکز تحقیقات انرژی و توسعه پایدار، واحد سمنان، دانشگاه آزاد اسلامی، سمنان، ایران

غلامرضا فلاح کوشکی : کارشناس ارشد، شرکت گاز استان تهران، تهران، ایران

مقاله تولید آنتروپی در یک شبکه فوق توزیع گاز شهری نمونه با لوله‌های فولادی و لوله پلی اتیلن در سومین کنفرانس بین‌آلمللی نوآوری‌های اخیر در مهندسی مکانیک و مهندسی مکانیک مورخ 14 آبان 1395 در تهران ارائه شده است. چکیدهگاز طبیعی از چاه‌ها استخراج و پس از تصفیه، توسط خطوط انتقال و شبکه تغذیه و فوق توزیع به محل مصرف میرسد. در این بخش میزان هدر رفت انرژی بسیار حیاتی بوده و باید بطور مناسبی محاسبه شود. در این تحقیق، شبکه فوق توزیع با فشار کارکرد پایین مورد بررسی قرار گرفته و یک شبکه گاز طبیعی نمونه با استفاده از حل تحلیلی جریان گاز طبیعی در شرایط پایا مورد بررسی قرار گرفته است. معادلات جریان با فرض تمامی پارامترها، ابتدا برای یک لوله ارائه شده، سپس با استفاده از قوانین موجود در شبکه‌های لوله، یک شبکه نمونه مورد تحلیل قرار گرفته است. تاثیر جنس لوله به عنوان یک عامل مهم بر روی عملکرد شبکه مورد نظر، بررسی و تحلیل شده و در انتها، میزان تولید انتروپی در لوله‌های فولادی و پلی اتیلن مقایسه گردیده است. نتایج نشان می‌دهد با افزایش قطر یا کاهش دبی گاز، زبری لوله و ضریب اصطکاک عملاً تاثیر کمتری در تولید انتروپی دارد. همچنین نتیجه می‌شود که جریان گاز در قطرهای کمتر، در لوله‌های فولادی از لوله‌های پلی اتیلن انتروپی بیشتری تولید می‌کنند. کلمات کلیدی: تولید انتروپی، شبکه فوق توزیع، جنس لوله، ضریب اصطکاک مقدمه امروزه یکی از بزرگترین منابع انرژی بعد از نفت و زغال سنگ انرژی گاز طبیعی است. فراوانی در طبیعت، سهولت هدایت، ارزش حرارتی خوب، پاکیزگی مصرف و نیز کمی آلودگی زیست محیطی، موجب گردیده است که این منبع انرژی، بسیار مورد توجه قرار گیرد و علی رغم خطرات احتمالی آن در نقاط هدایت و مصرف از استقبال خوب مصرف کنندگان برخوردار میباشد. در شبکه‌های خطوط لوله گاز طبیعی جهت انتقال گاز از نقطه تولید به نقطه مصرف انرژی بسیار زیادی مصرف میشود. مقداری از این انرژی صرف غلبه بر نیروی اصطکاک جداری گاز طبیعی با لوله میشود. لذا توجه به مقوله اصطکاک در خطوط انتقال و کاهش این نیرو سبب کاهش اتلاف فشار و صرفه جویی در مصرف انرژی میشود. یکی از پارامترهای مؤثر در مقایسه کمی و کیفی اتلافات انرژی بحث تولید انتروپی است که در کار حاضر به تفصیل به آن پرداخته شده است. در خصوص تولید انتروپی در سیستم‌های مختلف توسط محققین بحث و بررسی‌های زیادی انجام شده است اما در زمینه خطوط انتقال گاز و شبکه توزیع گاز کار به مراتب کمتری صورت گرفته است. چازیکوفسکی جریان گذرا و غیر هم دمای گاز طبیعی درون خط لوله را با استفاده از معادلات حالت مختلف بررسی کرده است. تاثیر معادله حالت مختلف بر افت فشار، توزیع دما و انتقال حرارت در این تحقیق مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. در نتایج او، تاثیر روش مدل‌سازی حرارتی بر توزیع دما و فشار در درون خط لوله بررسی شد. نوربهشتی و قاسمینژاد معادلات جریان گذرای درون خطوط لوله را با استفاده از روش‌های دینامیک سیالات محاسباتی مورد بحث و بررسی قرار داده اند. نتایج معتبر سازی آنها دقتی در حدود 4% را نسبت به مطالعات گذشته و داده‌های آزمایشگاهی گزارش کرده است. با استفاده از نتایج تحلیل لوله‌ها، در مرحله بعد شبکه خطوط لوله مورد بررسی قرار گرفت. بهبهانی‌نژاد و باقری با استفاده از سیمولینک نرم افزار متلب، جریان گذرا و همدمای گاز درون خطوط لوله و شبکه‌های انتقال را مورد بررسی قرار داده‌اند. آنها روش ارائه شده را با روش‌های تفاضل محدود مورد مقایسه قرار داده و نتایج آنها حاکی از دقیقتر و کارامدتر بودن روش ارائه شده نسبت به سایر روش‌های تفاضل محدود می باشد. در تحقیقات ساهین و بن منصور  ، تولید انتروپی در جریان آرام سیال درون لوله‌های استوانه‌ای با استفاده از  محاسبات عددی مورد مطالعه قرار گرفته است. بررسی انجام شده نشان می‌دهد شدت تولید انتروپی در نزدیکی دیواره‌ها بیشتر بوده و با نزدیک شدن به مرکز لوله، تولید انتری به شدت کاهش مییابد. همچنین آقای دیپک ساکسنا انتروپی تولید شده در جریان کاملاً توسعه یافته عبوری از مجرای شش وجهی را بررسی نموده است. در این بررسی، شار حرارتی ثابت به این مجرا اعمال شده و با تغییر شکل مقطع مجرا، میزان تولید انتروپی محاسبه شده است. مجرای شش وجهی و مجرای استوانه‌ای که قطر هیدرولیکی و سطح مقطع مشابهی دارند مورد مقایسه قرار گرفته‌اند. در این مقایسه نشان داده شده است که با افزایش قطر استوانه نسبت به شش وجهی، میزان انتروپی کاهش خواهد یافت. از سویی دیگر زاهارناه و ایلباس تاثیر ویسکوزیته بر روی انتروپی تولید شده در جریان سیال درون لوله با استفاده از آنالیز حرارتی را مورد مطالعه قرار داده است. شدت انتروپی تولید شده با توجه به دماهای مختلف جداره لوله و نیز اثر تغییر ویسکوزیته محاسبه شده است. پاک دمیرلی و ایلباس انتروپی تولید شده در عبور جریان سیال غیر نیوتنی از داخل لوله را در حالت ویسکوزیته ثابت مورد مطالعه و بررسی قرار داده است . ایشان مشاهده نموده‌اند که افزایش اثرات غیر نیوتنی سیال باعث کاهش اصطکاک در مجاورت دیواره لوله و در نتیجه کاهش تولید انتروپی می شود. اثرات زبری لوله بر تولید انتروپی و انتقال حرارت در جریان نانو سیال عبوری از داخل صفحات تخت کلکتور خورشیدی توسط ماهیان و همکارانش مورد بررسی قرار گرفته است. در این مطالعات مشاهده شده است که افزایش زبری لوله، باعث افزایش تولید انتری شده و این افزایش در دبی‌های بالاتر بیشتر شده و میزان آن قابل توجه خواهد بود. آنالیز انتروپی .تولید شده در سطح لوله‌های استوانه شکل با استفاده از نانو سیال، توسط قنبری و خدابنده صورت گرفته است عملکرد حرارتی در لوله‌های استوانه‌ای شکل با نانو سیال طبق قوانین ترمودینامیک مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج محاسباتی و تجربی نشان می دهد که تولید انتروپی در لوله‌های استوانه‌ای شکل با افزودن نانوذرات به سیال اصلی کاهش می یابد و در نتیجه بازدهی حرارتی در این شرایط بهبود می یابد. واهبا بصورت عددی تولید انتروپی و پخش لزجت را در یک سیستم شامل مخزن، لوله و شیر بررسی کرد. او پس از بستن شیر بصورت ناپایا ضربه قوچ ایجاد و سپس میرا شده را بررسی نمود. برای بررسی انتروپی تولید شده، عدد بی بعدی تعریف کرد که در مقادیر کم، انتروپی سریع به مقدار پایا همگرا میشد. اما در مقادیر بالاتر این عدد بیبعد تولید انتروپی وسیعتر شده و دیرتر به مقدار پایا همگرا میشد. اسکوبا به بررسی آنتروپی و کمینه کردن آن در پیکربندی‌های مختلف از انشعاب لوله‌های حاوی جریان آرام و ایزوترمال پرداخت. او سه پارامتر را برای بهینه سازی در نظر گرفت: نسبت دامنه بکار رفته توسط جریان، نسبت قطر شاخهی اولیه به ثانویه و طول شاخه فرعی. او سپس الگوی بهینه شاخه شدن برای کمینه تولید انتروپی را بدست آورد. تجزیه و تحلیل تولید انتروپی در فرآیند انتقال حرارت به جریان توسعه یافته آرام با سیال لزج تراکم ناپذیر درون لوله با دیواره دما ثابت توسط ابوالفضلی اصفهانی و باغدار انجام شده است .در این مقاله با انتخاب پارامتر تولید انتروپی بدون بعد به عنوان معیار ارزیابی و با دیدی کاربردی میزان تولید انتروپی مورد بررسی قرار گرفته است. تغییرات تولید انتروپی بدون بعد گرمایی و اصطکاکی و همچنین تولید انتروپی بدون بعد کل بر حسب طول لوله در قطر ها در سرعت های مختلف برای سیالی با لزجت بالا (گلیسرین) مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین میزان تولید آنتروپی در دبی ثابت به ازای سرعت ها و قطرهای مختلف مطرح شده است و ارتباط بهینه ای بین خطوط، قطر لوله و سرعت سیال بدست آمده است. سعدالدین و رستگار به تحلیل اکسرژی در ایستگاه تقلیل فشار دروازه ورودی شهری پرداختند. آنها نشان دادند که با تنظیم دمای هیتر در زمان عملکرد، می توان از هدر رفت اکسرژی اجتناب کرد. بریک روش هاردی کراس را برای یک شبکه گاز طبیعی که مصرف در گره‌های آن مشخص شده است، بهبود بخشید. با روش ارائه شده توسط او، تعداد تکرار های لازم برای همگرایی شبکه کاهش یافت. با توجه به اینکه تولید انتروپی در شبکه‌های توزیع گاز طبیعی تاکنون بررسی نشده است، در این تحقیق انتروپی تولید شده در لوله های پلی اتیلن و فولادی در شبکه توزیع و در حالت پایا بررسی می شود. با استفاده از قوانین موجود و روابط حاکم در شبکه های گاز، یک شبکه نمونه مورد تحلیل قرار گرفته است. تاثیر جنس لوله (فولادی و یا پلی اتیلن) به عنوان عامل تعیین کننده در ضریب اصطکاک و همچنین قطر و دبی به عنوان یک عوامل مهم و مؤثر بر تولید انتروپی شبکه لوله مورد نظر، مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. ادامه مقاله تولید آنتروپی در یک شبکه فوق توزیع گاز شهری نمونه با لوله‌های فولادی و پلی اتیلن را از پایگاه سیویلیکا دانلود نمائید.