شبيه‌سازي ديناميك سيالات محاسباتي و تحليل همزمان اكسرژي بويلر فايرتيوب

A Simultaniously Analysis of Computational Fluid Dynamics and Exergy of the Fire Tube Boiler

در اين مطالعه، يكي از بويلرهاي شركت نفت فلات قاره ايران در جزيره خارك‌ (درود 3، واحد بويلر) مورد تحليل همزمان ديناميك سيالات محاسباتي و اكسرژي قرار گرفته است. بويلر مورد نظر از نوع فاير تيوب و به قطر 1360 و طول mm 5980 و سه گذر لوله مي‌باشد. هندسه مورد نظر در نرم‌افزار SolidWork رسم شده است و در نرم‌افزار Fluent معادلات آن حل گرديده است. علاوه بر معادلات ممنتم، از معادلات انرژي و احتراق براي مدل مورد نظر استفاده شده است. فضاي محاسباتي شامل مشعل، كوره، محفظه برگشت گازهاي داغ در انتهاي كوره‌ها، دسته لوله‌هاي پاس دوم، محفظه برگشت گازهاي داغ از روي سوپر هيتر به سمت دسته لوله‌هاي پاس سوم و در نهايت خروجي دودكش است. توزيع دما، فشار، توزيع سرعت در بويلر و همچنين توزيع غلضت اجزاي توليد شده از فرآيند احتراق به‌دست آورده شده است. نتايج شبيه‌سازي با داده‌هاي تجربي تطابق خوبي را نشان مي‌دهد. نتايج نشان مي‌دهد كه ناحيه بيشينه ميزان كسر جرمي NO منطبق با ناحيه بيشينه دماي تشكيل شده در قسمت كوره مي‌باشد. آلوده‌كننده NO در بخش شعله بيشينه بوده و با انتقال حرارت از كوره و كاهش دماي گاز در انتهاي كوره، كاهش مي‌يابد. در ادامه به تحليل اكسرژي به منظور امكان‌سنجي بهينه‌سازي بويلر پرداخته شده است. نتايج تحليل اكسرژي با مقادير عملياتي براي شار حرارت توليدي توسط سوخت گاز آورده شده و درصد خطا محاسبه گرديده است. نتايج نشان مي‌دهد با افزايش دماي سوخت به C°160، نرخ انتقال حرارت تابشي كوره افزايش‌يافته و دماي شعله و به دنبال آن آلوده‌كننده NO نيز كاهش مي‌يابد.

In this study, Exergy analysis and computational fluid dynamics simulation of one of the Iranian Offshore Oil Company boilers at Kharg Island, Dorood 3 (boiler unit) has been carried out simultaneously. A type of fire tube boiler with length of 5980 mm and a diameter of 1360 and three pass tubes is investigated. Desired geometry is drawn using SolidWork software, and the equations are solved using Fluent software. In addition to the momentum equations, the energy and combustion equations were also used to the model. Computational space, including burners, furnaces, hot gas chamber at the end of furnaces, the second pass of the tubes, hot gas chamber from the super heater passes into the third tube pass and finally the stack. Temperature, pressure, velocity and concentration distribution in the boiler has been obtained. The simulation results show good agreement with the experimental data. The results show that the area of maximum mass fraction of NO is made in accordance with the area of maximum temperature in the furnace. NO contaminant is maximum in the flame area. NO contaminant is reduced when the gas temperature in the furnace is reduced;moreover, Exergy analysis is discussed to determine the feasibility of optimize boiler. The results of exergy analysis of operations for the produced heat flux values by fuel gas are obtained and percent error is calculated. The results show that with increasing temperature to °160C fuel, the furnace radiant heat transfer rate increased and the flame temperature and consequently also reduce NO contaminant.