کاربردCFD در صنعت
ديناميک سيالات محاسباتی می تواند مستقيماٌ به اهداف مورد نياز صنايع کمک کند. خصوصاً کاربرد تکنيک های محاسباتی می تواند سبب بهبود موارد زير شود:
- کوتاه شدن سيکلهای توسعه محصول – فرآيند.
- بهينه سازی وکنترل فرآيندهای موجود برای بهبود بازده و مصرف انرژی.
- طراحی کار آمد محصولات و فرايند های جديد.
- بهبود در شرايط سلامتی ، ايمنی و زيست محيطی[1].
اگر بخواهیم کاربرد های CFD در صنایع را به چند گروه تقسیم کنیم:
1-صنعت نفت و گاز
2- کاربرد در صنایع غذایی
3- صنعت سیمان
4- صنعت اتومبیل
5- صنایع نیروگاهی
6- صنایع معدنی
7- صنعت تهویه مطبوع
8- صنعت متالورژی
صنعت نفت و گاز
کاربرد های CFD در تمام مراحل تولید و هم چنین فرآوری نفت شامل اکتشاف، استخراج، انتقال و فرآوری نفت قابل پیاده شدن است، اگر از نظر نوع جریان تقسیم بندی انجام شود میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
1-آنالیز جریان های مغشوش گذرا:
- آنالیز های آکوستیک (صوتی)
- آنالیز جریان های نازل
- پراکندگی گازهای جوی
- تجزیه و تحلیل های هیدرودینامیکی
- توسعه الگوریتم ها
- سفارشی سازی (CUSTOMIZE) کدهای خاص
2- آنالیز مخاطرات طبیعی و مطالعات محیط زیست جریان سیال (مهندسی بالادست)
- شبیه سازی سونامی با احتمال تولید لغزش
- ارزیابی جریان سطح آزاد با استفاده از روش حجم از مایع
- تجزیه و تحلیل ساختار فلات قاره برای ارتعاش ناشی از جریان
- کد های هیدرودینامیک ذرات هموار یا مش آزاد که قادر به مدل سازی جریان با تغییر شکل های بزرگ است
3- تحلیل جریان های چندفازی با استفاده از CFD
- تجزیه و تحلیل جریان سیال سیستم های مهندسی همراه با محیط متخلخل طبیعی
- شبیه سازی جریان های رطوبت، تبخیر و میعان
- انتقال حرارت چند حالته از جمله تغییر فاز
- انتقال حرارت مزدوج(هدایت و جا به جایی)، انتقال جرم، و جریان سیال
- پشتیبانی تحلیلی تجربی مدل های محاسباتی
4- شبیه سازی داینامیک آتش
- تجزیه و تحلیل نشت و رخنه آتش
- ارزیابی انتشار دود
- استفاده از شبیه ساز دینامیک آتش NIST و سایر کدهای تجاری[2]
2- کاربرد در صنایع غذایی
در مورد کاربرد CFD در صنایع غذایی را میتوان به کاربرد آن در خشک کن ها، استرلیزاسیون، مخلوط کردن، سرد سازی و … اشاره کرد.
خشک کن ها:
خشک کن یکی از مراحل متداول فراوری صنایع غذایی است، میزان توان خشک کردن به شدت به جریان هوا و سرعت هوا وابسته است، در حالی که اندازه گیری میزان جریان هوا و سرعت آن در طی فرآیند کار مشکل و هزینه بری است و نیاز به تعداد زیادی سنسور دارد، با استفاده از CFD میتوان این جریانها را اندازه گیری کرد. علاوه بر آن گردش هوا در خشک کن های ناپیوسته، میزان خشک شدن مواد وابسته به محل قرار گیری آن ها در خشک کن، مدل گردش هوا در خشک کن ها، کاهش مصرف انرژی در آن ها توسط CFD قابل بررسی است. همچنین CFD در طراحی عملکرد خشک کنهای پاششی که در تولید شیر و قهوه به کار میروند نیز کاربرد دارد.
استرلیزاسیون:
استرلیزاسیون تکنیکی مهم در تولید و نگه داری مواد غذایی میباشد، در این میان هنوز روش های حرارتی از مهم ترین روش استرلیزاسیون به شمار میروند؛ در حالی که بهینه سازی زمان ماند، کاهش کیفیت و طعم از مشکلات این روش هاست.مطالعاتی در راستای بهینه سازی استرلیزاسیون حرارتی در صنایع غذایی با استفاده از CFD انجام شده است. این تحقیقات که در بیشتر موارد در زمینه ی مواد غذایی مایع به کار میرود اطلاعاتی در راستای بهینه سازی طراحی همچون پروفابل های دمایی، سرعتی، نفوذ گرما، نفوذ باکتری ها و غیره در اختیار صاحبان صنایع قرار میدهد.
مخلوط کن ها:
فرآیند اختلاط یکی از فرآیند های رایج در صنعت مواد غذایی میباشد. اگر چه فرآیند اختلاط فرآیندی پیچیده است که اغتشاش چند فازی در طول فرآیند اختلاط را در نظر باید گرفت، CFD ابزاری قدرتمند برای شبیه سازی فرآیند اختلاط است. با استفاده از این ابزار، توزیع ذرات، سرعت ذرات و درجهی اختلاط همچنین میزان دقیق اغتشاش، چرخش و ورتیس های تولید شده در مخزن های اختلاط قابل شبیه سازی و بررسی است.
یخچال و سردسازی:
تولید مواد غذایی یخ زده امروزه در صنایع غذایی رو به افزایش است، فرآیند سرد سازی میزان رشد باکتری ها را کاهش داده و زمان نگهداری مواد را افزایش میدهد، امروزه صنعت CFD انتقال حرارت و انتقال جرم در طی فرآیند سردسازی را مورد هدف قرار داده است، هم چنین کاربردهایی از قبیل سردسازی وکیوم و حبس هوا در طی فرایند های بسته بندی، مدل سازی اتاق های سردسازی و کابینت های سردسازی،انتقال رطوبت، نرخ انتقال سرما و کاهش وزن مواد طی فرایند سرد سازی در نمونه هایی شبیه سازی شده است. کنترل دما و طراحی سیستم های سرد سازی، بهینه سازی انرژی و کاهش قیمت اولیه و فرآیندی از کاربردهای کلی استفاده از CFD در فرایند سرد سازی است.
مبدل های حرارتی:
در صنایع مواد غذایی به طور معمول استفاده از مبدل های حرارتی ترجیح داده میشود. پیش بینی و کنترل کیفیت مواد غذایی در طول فرایند گرمادهی، توزیع جریان و توزیع دما هم چنین آنالیز جریان ثانویه در مبدل های مارپیچی و طراحی مبدل ها با هدف حداقل سازی از بین رفتن طعم مواد غذایی از کاربردهای CFD در این مبدل ها می باشد.
البته در سایر قسمت ها و تجهیزات از جمله اتاق های نگهداری نیز کاربرد های زیادی برای استفاده از CFD وجود دارد[3].
صنعت سیمان
کاربرد دینامیک محاسباتی سیالات در بیشتر مراحل تولید سیمان مشخص و واضح است، اما با توجه به اولویت بخش های تولید سیمان از نظر مصرف انرژی و هزینه بر بودن، بخش های مهم تولید سیمان که علم CFD کمک شایانی به پیشرفت و بهینه سازی آن ها کرده است در زیر آمده است.
- کلساینرها:
بیشترین مصرف ا انررژی در فرایند تولید سیمان فرآیند تجزیه کلسیم کربنات به کربن دی اکسید و کلسیم مونواکسید میباشد. در سالهای اخیر برای بهینه سازی مصرف انرژی در این صنعت، باتمرکز بر تحلیل مناسب بر انرژی گازهای خروجی از کوره به کاهش مصرف انرژی دست یابند.کیفیت گاز های خروجی از کوره به میزان دمای دیواره های آن بستگی دارد. برای بدست آوردن این ویژگی میتوان از کدهای دینامیک سیالات محاسباتی استفاده کرد دینامیک سیالات محاسباتی امروزه با ارتقا مدل های احتراق و جریان توان تحلیل پدیده های طبیعی در مقیاس حقیقی درفازهای گسسته و پیوسته را دارا می باشد. این ابزار باعث کاهش هزینه و زمان میشود [4].
پری کلساینرها
پارامترهاي فيزيكي متنوع در هيدروديناميك هاي موجود در دو فاز گاز-جامد كه در كوره هاي پيش ساخته جريان دارند موثرند. یکی از کاربرد های CFD مطالعات عددي تاثير پارامترهاي مختلف فيزيكي بر روي هيدروديناميك جريان دو فاز گاز جامد در پري كلساينر ها است. از کاربرد های مهم CFD در پری کلساینر ها میتوان موارد زیر را نام برد:
- کاربرد دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به عنوان یک ابزار پژوهشی مهم در شبیه سازی جریان فازها
- مطالعات عددي تاثير پارامترهاي فيزيكي بر روي هيدروديناميك جريان دو فاز گاز- جامد در پري كلساينر تاثیر هوای اولیه و ثانویه در کیفیت و چگونگی جریان فازها [5]
کوره دوار
بزرگترين كوره هاي دوار در صنايع توليد سيمان براي تبديل خوراك خام به كلينكر سيمان به كار مي روند استفاده مي شود. طبق شكل خوراك خام به طور جزيي تكليس شده با يك ميزان جريان معين وارد كوره مي شود، ضروري است. مدل هايي جهت تخمين متوسط زمان اقامت مواد جامد و تغييرات ارتفاع بستر در داخل كوره به عنوان تابعي از ميزان جريان مواد جامد سرعت دوان كوره زاويه انحراف برسي شود چند واكنش شيميايي در بستر جامد رخ مي دهد. امروزه بهينه سازي كوره ها در زمره اولويت هاي مهندسي قرار گرفته است، كه مي تواند تاثيرات شگرفي در اين صنعت گذارد. بهبود اين روند نياز به درك بهتري از تعامل ميان شعله، فاز گاز و بستر جامد در كوره است . با اين حال، محيط خصمانه كوره مانع از مشاهده مستقيم يا اندازه گيري است. .
مدل سازي عددي فرآيند به طور بالقوه مي تواند يك جايگزين قابل اعتماد را ارائه مي كنند. در حال حاضر احساس نياز و علاقه به افزايش سرعت دوران كوره ها مطرح و در حال گسترش است، ليكن شك و ترديد و هراس بسياري نيز در قبول مسئوليت و عهده دار شدن ايجاد تغييرات لازم وجود دارد.
با توجه به اهميت كوره دوار در ، ماهيت پيچيده آن )واكن شهاي فيزيكي و شيميايي همزمان( و پارامترهاي متعدد موثر بر كيفيت كار، داراي معادلات ديناميكي پيچيده است و تحقيق و پژوهش بر روي آن بسيار لازم و ضروري است.
موارد مهمی که میتوان بوسیله CFD آن ها را بررسی کرد عبارتند از:
- افزايش بهينه سرعت چرخش كوره (نسبت سرعت دوران به خوراك كوره )
- تاثیر دور کوره بر فاز آلیت
- جريان مواد جامد در كوره دوار
- جريان مواد در جهت عرضي[6]
سایکلون ها
سایکلون ها دستگاه هایی هستند که از یک نیروی گریز از مرکز که بوسییه ی یک جریان گاز در حال چرخش تولید می شود برای جداسازی ذرات از یک گاز حامل استفاده میکند.سایکلون ها به خصوص در شرایط دما و فشار بالا کاربرد بسیاری دارند. کاربرد سایکلون ها در حذف ذرات بزرگ هم برای کنترل آلودگی هوا و هم برای کنترل فرایند مشخص است.کاربرد CFD در جهت تاثیر دما، فشار عملیاتی و سرعت ورودی به سایکلون اثبات شده است. هم چنین پارامتر مهم تاثیر اندازه ذرات بر میزان جداسازی و طراحی متناسب با اندازه ی ذرات میتواند توسط CFD بهبود و بازده جداسازی را به درصد بالایی بهبود بخشد[7].
انتشار گازهای گلخانه ای
صنعت سیمان یکی از بزرگترین منابع تولید گازهای گلخانهای است و مقادیر قابل توجهی گاز CO2 تولید میکند. اخیرا محققین زمان قابل توجهی برای یافتن راهکارهای بهبود مصرف انرژی و جلوگیری از تشکیل آلودگی تولیدی از کاخانه سیمان صرف کردهاند. یکی از این راهها جدا کردن فرآیندهای کلسیناسیون و کلینکرینگ داخل دو کوره مجزا میباشد. از آنجایی که این فناوری جدید است، کلساینرها هنوز در فاز تحقیق و توسعه میباشند. میتوان از CFD به منظور طراحی وبهینه سازی کلساینرها استفاده کرد، که به نظر میرسد نقش مهمی در کاهش انتشار CO2 در فرآیند تولید سیمان میباشد. [8,9].
صنعت اتومبیل:
صنعت اتومبیل جرو اولین صنایعی بود که از ابتدای شکل گیری علم CFD با ان همراه بوده است،از کاربردهای کلی CFD در این صنعت میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- شبیه سازی آیرودینامیکی شرایط اتومبیل (آزمایش های تونل باد)
- مدیریت حرارتی و فضای داخل کابین
- شبیه سازی احتراق موتورهای داخلی
- صدا و آلودگی صوتی در داخل و خارج از اتومبیل [10]
صنعت تهویه مطبوع
علم CFD به دلیل کم هزینه بودن، سریع بودن از نظر زمانی و بازدهی، قابلیت اطمینان بالا در صنایع تهویه مطبوع کاربرد بسیار گسترده ای دارد که در قسمت پایین به تعدادی از آن ها اشاره شده است:
- شبیه سازی شرایط تهویه مطبوع اتاق ها و دفاتر
- شبیه سازی آلاینده ها و ذرات معلق
- شبیه سازی هود های گازی
- اتاق دستگاه کپی (VOC)
- طراحی آزمایشگاه های کنترل آلودگی شیمیایی
- طراحی تهویه صنعتی
- سالن های سیگار
- جریان های خارجی در ساختمان ها
- شبیه سازی مورد های حل مساله
- مطالعه افزایش بازدهی اختلاط AHU
- مدیریت آتش و دود
- شبیه سازی ساختمان های دهلیز آتش
- شبیه سازی آتش انبار
- امکانات و فضاهای آموزشی
- تهویه استخرها
- تجهیزات پزشکی و اتاق عمل
- شبیه سازی اتاق های پاکسازی
- محیط های نگهداری حیوانات و گیاهان
- امکانات فضایی محصور
- سالن ها، استادیوم ها، عرصه ها، و مکان های مونتاژ
- اتاق های شبکه کامپیوتر[11]
منابع:
[1] Computational Fluid Dynamics for the Oil and Gas Industry,southest research institute.
[2] Technology Roadmap for Computational fluid dynamics, the U.S. chemical industry, Jan,1991.
[3] رهبر رحیمی، محمود رضا رحیمی، “مروری بر دینامیک سیالات محاسباتی در مهندسی شیمی”، نهمین کنگره ملی مهندسی شیمی در ایران،دانشگاه علم و صنعت ایران، 1383.
[4] V4 Frisch, R4 Jeschar,” Possibilities for optimizing the burning process in rotary cement kilns”, Zement-Kalk-Gips, 1983, 36, 549.
[5] رضوان بهفر، مینا بهفر، محمدرضا حسین زاده، “مطالعات عددی جریان فازهای جامد-گاز در پری کلساینر”، چهاردهمین گنگره ملی مهندسی شیمی ایران،دانشگاه صنعتی شریف،1391.
[6] رضوان بهفر ، رضا بهفر، محمدرضا حسین زاده،” شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی پارامترهای عملیاتی کوره دوار”، چهاردهمین کنگره ی ملی مهندسی شیمی ایران،1391
[7] Marek WASILEWSKI, Jerzy DUDA,” Application of Computational Fluid Dynamics to optimization of cyclone dust separators operated in the cement industry”, CHEMIK 2013, 67, 10, 985–994
[8] The application of CFD modelling to support the reduction of CO2emissions in cement industry
[9] Hrvoje Mikulčić, Milan Vujanović,Dimitris K. Fidaros, Peter Priesching, Ivica Minić, Reinhard Tatschl, Neven Duić, Gordana Stefanović; Energy (2012) 464-473.
[10] 100 volums of ‘Notes on Numerical Fluid Dynamic’,Ernst Heinrich, Egon Krause
[11]www.glumac.com/greenResources/GR_CFD_Advantages.html
خیلی ممنونم…