بهينه سازي ابعاد هندسي فايرتيوب و هيت كويل گرمكن هاي ايستگاه هاي تقليل فشار گاز

Optimization of Geometric Dimensions of Fire Tube and Heat Coil Used in City Gate Stations Heaters

گاز طبيعي پر فشار خطوط انتقال پيش از ورود به شير اختناق ايستگاه هاي دروازه شهري (CGS)، از گرمكن هايي عبور داده مي شود كه دماي آن را تا حد جبران افت دماي ناشي از اثر ژول- تامسون افزايش دهد و از بروز پديده هيدراته شدن گاز، يخ زدگي شير و انسداد مسير عبور گاز جلوگيري مي نمايند. بهينه سازي اين گرمكن ها با توجه به اين كه در مقياس وسيع از گاز فرآوري شده شبكه تغذيه مي كنند، از اهميت بسزايي برخوردار است. در مطالعه حاضر هر يك از اين گرمكن ها به نوعي ماشين ترموديناميك مركب از دو سيستم حرارتي متمايز از هم شبيه سازي شده است. تحليل ترموديناميك اين دو سيستم با توجه به هندسه مساله و معادلات حاكم، به فرمولاسيون رابطه بين بازده حرارتي آنها و سپس تعريف پارامتري موسوم به ضريب تشابه ترموديناميك انجاميد. آنگاه نتايج حاصل از تحليل حرارتي و تقريب زدن تابع پيچيده اصلي با دو تابع ساده تر مشخص نمود كه همواره بين تفاضل مقادير تعداد واحدهاي تبادل حرارت (NTU) فايرتيوب و هيت كويل با ضريب تشابه ترموديناميك گرمكن ها، رابطه لگاريتمي ثابت و بين نسبت مقادير NTU آن دو با اين ضريب نيز رابطه تواني ثابتي برقرار است. سرانجام با حل دستگاه معادلات به دست آمده از اين دو رابطه، امكان تعيين مقادير بهينه NTU براي فايرتيوب و هيت كويل به صورت توابعي از ضريب تشابه ترموديناميك بهينه گرمكن ها و به تبع آن دستيابي به رابطه بين ابعاد هندسي بهينه آن دو در ايده آل ترين وضعيت انتقال حرارت، با بيشينه خطاي نسبي حدود 13% فراهم شد.

Prior to entering to the throttling valve of the City Gate Stations (CGS), high-pressure natural gas flow in pipelines is transmitted through Water Bath Indirect Heaters (WBIH), which is increasing its temperature to compensate for the temperature drop caused by the Joule- Thomson effect and preventing the occurrence of the hydration phenomenon, gas freezing, and subsequent blockage of the gas flow path. Because of feeding of processed gas of the network on a large scale, optimizing the WBIHs has a lot of significance. In the present study, each WBIH is simulated by a type of thermodynamic machine, consisting of two distinct thermal systems. According to the problem geometry and governing equations, the thermodynamic analysis of these two systems results in the formulation of a relationship between their thermal efficiencies together and the definition of a parameter was defined as the Thermodynamic Similarity Coefficient (TSC). Then, the results showed that always, a constant logarithmic relationship exists between of the Number of Heat Transfer Units (NTU) values difference of the fire tube and heat coil of the WBIHs with their TSC as well as a constant power relationship between their NTU values ratio with this coefficient too. Finally, by solving the equation system obtained from these two relations, it was possible to determine the optimal values of NTU for the fire tube and heat coil as functions of TSC of the WBIH and to achieve the relationship between their optimum geometric dimensions together in the most ideal heat transfer state with a maximum relative error of about 13%.