وبلاگ

در طول تاریخ بشر از زمان یونان باستان، مردم و به خصوص دانشمندان آن دوره بر این باور بودند که مواد را می­توان آنقدر به اجزای کوچک تقسیم کرد تا به ذراتی رسید که خردناشدنی هستند و این ذرات بنیان مواد را تشکیل می­دهند. شاید بتوان دموکریتوس فیلسوف یونانی را پدر فناوری و علوم نانو دانست چرا که حدود 400 سال قبل از میلاد مسیح او اولین کسی بود که واژه اتم را که در زبان یونانی به معنی تقسیم نشدنی است برای توصیف ذرات سازنده مواد بکار برد. در سال 1959، فینمن دانشمند کوانتوم و دارنده جایزه نوبل مطرح نمود اگر دانشمندان ترانزیستور را ساخته­اند ما با علم اتمی می­توانیم همین ترانزیستورها را با مقیاس بسیار کوچک بسازیم. او قصد داشت تا با قرار دادن اتم ها در کنار یکدیگر کوچکترین مصنوعات بشری را بسازد. همانطور که گفته شد نظریه کار بر روی سیستم ها در سطح نانو برای اولین بار  توسط فینمن استاد کوانتوم بیان گردید. بعدها یک دانشجوی رشته کامپیوتر برای انجام پروژه فارغ التحصیلی خود، دانشمند بزرگ هوش مصنوعی دکتر مینسکی که پدر علم هوش مصنوعی نیزشناخته می­ شود را به عنوان استاد راهنمای پروژه فارغ التحصیلی برگزید. این دانشجو آقای اریک درکسلر نام داشت که علاقه زیادی به نظریه­ های فینمن داشت. او سعی در شکوفایی این فرضیات نمود. وی بعد از اخذ درجه استادی علوم کامپیوتر با جمع آوری جوانان کوشا نظریه نانوتکنولوژی را بنا نهاد. اولین مقاله وی در زمینه نانوتکنولوژی در سال 1981 و با موضوع نانوتکنولوژی مولکولی به چاپ رسید. او اولین کسی بود که در سال 1991 از دانشگاه MIT مدرک دکتری نانوتکنولوژی را دریافت نمود. بعدها کشورهای توسعه یافته، برنامه ریزی های گسترده ای را برای فعالیت های تحقیقاتی و صنعتی در زمینه نانو تکنولوژی تدوین نمودند. واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توكیو در سال 1974 بر زبانها جاری شد. او این واژه را برای توصیف ساخت مواد دقیقی كه تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر باشد، به كار برد. در سال 1986 این واژه توسط اریک دركسلر در کتابی تحت عنوان: (موتور آفرینش، آغاز دوران­­­ فناوری نانو) بازآفرینی و تعریف مجدد شد. او این واژه را به شكل عمیق تری در رساله دكترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا  در کتابی تحت عنوان: ( نانوسیستمها، ماشین های مولكولی، چگونگی ساخت و محاسبات آنها) توسعه داد. نانو تکنولوژی در ترجمه لفظ به لفظ به معنی تکنولوژی بسیار کوچک­­(9-10) است. امروزه در صنعت سرمایش و گرمایش، سیالات مبادله کننده حرارت نقش مهمی ایفا می­ کنند. با توجه به بحران انرژی و مسایل زیست‌محیطی، استفاده از تجهیزات اقتصادی­تر و سازگارتر با محیط‌زیست به عنوان یکی از موضوعات مهم علم انتقال گرما تبدیل گشته است. درحال حاضر از خنک‌کننده‌هایی مانند آب، اتیلن گلیکول، روغن مبدل و … در صنعت استفاده می­ شود. راندمان پایین مایعات خنک­کننده متداول خود باعث افزایش مصرف انرژی، حجیم تر شدن تأسیسات، افزایش فضای مورد نیاز برای تجهیزات و هزینه­ های جانبی دیگر می­ شود. در سال­های اخیر تحقیقات زیادی جهت بهبود عملکرد حرارتی سیالات خنک­کننده در جهان صورت گرفته است که نتیجه آن تولید نسل جدیدی از سیالات خنک­کننده به نام نانو سیالات است.
به طور کلی به مخلوطی از نانو ذرات فلزی یا غیرفلزی با قطر کمتر از ۱۰۰ نانومتر كه در یک سیال پایه معلق شده باشند، نانو سیال اطلاق ­­می­ شود. نمونه­های فراوانی از نانو سیال‌ها در طبیعت وجود دارند. به عنوان مثال خون یک نانو سیال زیستی پیچیده است كه نانو ذرات مختلف در ابعاد مولكولی نقش­های متفاوتی را ایفا می­كنند. با توجه به نوع سیال پایه مورد استفاده (آلی یا غیر آلی) و همچنین نوع نانو ذرات مورد نظر، انواع مختلفی از نانو سیال‌ها به وجود می­آیند كه می­توان به نانو سیال‌های استخراجی، زیست‌محیطی (كنترل­گر آلودگی محیط‌زیست)، زیستی و دارویی اشاره كرد. نانو سیال‌ها جنبه­ های ویژه­ای دارند كه آن‌ ها را كاملاً از مخلوط سیالات دو فازی كه در آن‌ ها ذرات در ابعاد میكرو یا میلی‌متر هستند، متمایز می‌کنند [۱]. مخلوط سیالات دو فازی مرسوم به دلیل درشت­تر بودن ذرات، باعث انسداد كانال­های جریان می‌شوند. علاوه بر آن سرعت ته­نشینی ذرات در آن­ها بالاتر بوده و افت فشار بیشتری را ایجاد می­كنند. خوردگی خطوط لوله نیز در

 این موارد بسیار مشاهده می‌شود. قدرت مورد نیاز برای پمپ كردن این سیالات بیشتر است. حال آنكه در نانو سیال‌ها به دلیل حركت براونی و نیز بر هم کنش‌های بین ذرات و سطح بالا این آثار كاهش می‌یابد [۲]. این نتایج در جدول (۱-۱) نشان داده شده است [۳]. اولین بار چوی و ایست­من [۴] در آزمایشگاه آرگون[1] در ایالات‌متحده نانو سیالات را تولید کرد. بعد از او محققین زیادی در مورد خواص نانو سیالات به تحقیق و پژوهش پرداختند. طبق تحقیقات صورت گرفته عوامل گوناگونی همچون سایز، جنس، شکل و غلظت ذره، دما، نوع سیال پایه، نوع رژیم جریان (آرام یا متلاطم بودن)، ترکیبات نگه‌دارنده نانو سیال و بسیاری از عوامل دیگر در تعیین خواص نانو سیال و میزان انتقال حرارت آن­ها موثرند. تاکنون رابطه دقیق و جامعی برای پیش‌بینی و تعیین ویژگی­های فیزیکی نانوسیالات به دست نیامده است و روابط تجربی موجود از نانو سیالی به نانو سیال دیگر، از غلظتی به غلظت دیگر و حتی از سایز ذره­ای به سایز ذره دیگر از همان جنس ذره، متفاوت می­باشد. به عنوان مثال انتخاب نانو ذرات با ضریب هدایت بالاتر، مثلاً مس به جای اکسید آلومینیم موجب افزایش انتقال حرارت در نانو سیال می­گردد.

 
 
جدول (1-1): مقایسه خواص میکرو سیالات با نانو سیالات

 
 
 
موضوع مهم دیگری که باید مورد توجه قرار گیرد، پایداری نانو سیال است. برای پایداری سوسپانسیونی که از مخلوط کردن مستقیم نانو ذرات با سیال پایه ایجاد می­ شود، از مواد فعال‌کننده سطحی یا پراکنده سازهایی نظیر (نمک لورات و اسید الیک) استفاده می‌کنند. این مواد نانو ذرات را احاطه کرده و مانع کلوخه شدن آن‌ ها می­شوند.هم اکنون جهت کاربردهای حرارتی به طور گسترده از نانو ذرات Cu، CuO، TiO2 وAl2O3 به همراه یکی یا ترکیب سیالات آب، آب-آمونیاک، روغن مبدل و اتیلن گلیکول استفاده می­ شود[۴]. معمولاً نانو سیالات تولیدشده از ذرات خالص فلزی دارای خواص انتقال حرارت بهتری از نوع اکسیدشده آن فلز هستند. نانو ذرات اکسید آلومینیوم به خوبی در آب مقطر مخلوط می­شوند اما نانو ذرات قهوه­ای رنگ مس طی مدت زمان کوتاهی در آب اکسیدشده و به اکسید مس سیاه رنگ با خواص ضعیف­تر انتقال حرارتی نسبت به مس تبدیل می‌گردند. پس باید در انتخاب سیال پایه و نانو ذرات دقت کافی را مبذول داشت. مزیت استفاده از اکسید نانوذرات نسبت به نانوذرات، در این است که سوسپانسیون­های پایدارتری بوجود می­آورند.
تحقیقات اخیر روی نانو سیالات، افزایش قابل‌توجهی را در هدایت گرمای آن­ها نسبت به سیالات بدون نانو ذرات و یا همراه با ذرات بزرگ‌تر (ماکرو ذرات) نشان می­دهد. از دیگر تفاوت‌های این نوع سیالات، تابعیت شدید هدایت گرمای از دما، همچنین افزایش فوق‌العاده شار گرمای بحرانی در انتقال گرمای جوشش آن‌ هاست. نتایج آزمایشگاهی به دست آمده از نانو سیالات نتایج قابل‌بحثی است که به عنوان مثال می­توان به انطباق نداشتن افزایش هدایت گرما با تئوری‌های موجود اشاره کرد. این امر نشان‌دهنده ناتوانی این مدل­ها در پیش ­بینی صحیح خواص نانو سیال است.
[1] Argonne

 
 
 
 
1-1 پیشگفتار
انتقال توان الکتریکی تولید شده در نیروگاه­ها به مراکز مصرف یکی از مسائلی است که در هر کشوری از اهمیت خاصی برخوردار است. پس از تولید توان الکتریکی، طراحی و ساخت تجهیزات مربوط به آماده کردن این توان برای انتقال، نظیر ترانسفورماتورها و…. طراحی و ساخت تجهیزات مربوط به انتقال این توان مورد توجه قرار می گیرد. طراحی دکل­ها، کابل­ها، کمربندهای برج­ها و فاصله مورد نیاز برای هادی­ها از مواردی است که در این مرحله به آن پرداخته می شود. نظر به اهمیت موضوع و فاجعه آمیز بودن وقایعی که در صورت طراحی نادرست این تجهیزات در راه انتقال انرژی الکتریکی ممکن است اتفاق بیفتد، موارد زیادی در طراحی این تجهیزات باید مورد توجه قرار گیرد. به عنوان مثال اگر فاصله مورد نیاز بین هادی­ها لحاظ نشود و در اثر حرکت هادی­ها برخورد بین دو فاز بوجود آید، جرقه­های بوجود می آید که سبب ضعیف شدن منبع تولید توان می شوند ویا در مناطق سردسیر که هادی­ها با یخ پوشیده می شوند در صورت جدا شدن یخ، کابل­ها به نوسان در می آیند که این نوسانات به سازه های فولادی نگهدارنده کابل­ها صدمه می زند و آن­ها را دچار خستگی می کند. همچنین اگر به

 هر علت کابل­ها پاره شوند فشار زیادی به کابل­ها وارد می شود.

یکی از این دست مسائل که برای کابل­ها به وجود می آید و باید در طراحی­ها مورد توجه قرار گیرد پدیده گالوپینگ است. گالوپینگ در لغت به معنای تاختن و چهار نعل رفتن اسب است و در اصطلاح فنی به نوسانات غیر خطی بر انگیخته با فرکانس پایین و دامنه نوسان بالا اطلاق می شود که بر روی خطوط انتقال انرژی الکتریکی اتفاق می افتد. چنین پدیده ای در لوله های دراز، تجهیزات مربوط به پرتاب سفینه های فضایی و پل های معلق نیز دیده می شود. این پدیده بیشتر زمانی مشاهده می شود که سطح مقطع کابل بر اثر یخ زدن از حالت تقارن خارج می شود. به همین دلیل این پدیده بیشتر در مناطقی اتفاق می افتد که دارای آب وهوای سرد می باشند وبادهای نسبتا قوی نیز در این مناطق می وزد. در اثر این پدیده نوسان­های با دامنه بالا در خطوط انتقال انرژی الکتریکی بوجود می آید که این مساله خود باعث بروز مشکلات عمده ای می شود.
ناتوانی در جلوگیری از پدیده گالوپینگ منجر به خرابی کابل­ها، برخورد هادی با زمین، خرابی ناگهانی سیم­های عایق، سازه های نگهدارنده واجزای برج­ها، شل شدن وبیرون آمدن کمربند برج­ها، خستگی دراجزای برج­های فولادی وخستگی هادی در اثر کشش می شود. همچنین در اثر این پدیده امکان برخورد بین فازها و ایجاد جرقه­هایی بین کابل­ها وجود دارد که این باعث ضعیف شدن و خرابی سیستم تولید توان الکتریکی می شود.
به دلیل مخرب بودن این پدیده پژوهش­های تحلیلی و آزمایشگاهی بسیاری در این زمینه انجام شده است. این پدیده حداقل از سال1930 مشاهده شده است و با وجود پژوهش­های بسیار در این زمینه تا کنون مساله مربوط به این پدیده کاملا حل نشده است. شاید یک دلیل برای این موضوع وجود نداشتن یک مدل ساده وجامع برای این پدیده باشد.
پدیده گالوپینگ هم در کابل­های تک و هم در کابل­های باندول دوتایی و سه تایی می تواند به وجود آید. استفاده از کابل های باندول شده برای انتقال انرژی الکتریکی بهترین واقتصادی ترین راه حل می باشد. اما مسئله ای که وجود دارد این است که کابل­های باندول شده به دلیل الاستیسته زیاد نسبت به سرعت باد بسیار حساس می باشند و گزارشات نشان می دهد که کابل­های باندول شده بیشتر از هادی های تک دچار پدیده گالوپینگ می شوند. همان­گونه که گفته شد هر گاه سطح مقطع کابل از حالت متقارن خارج شود احتمال رخ دادن پدیده گالوپینگ بیشتر می شود. یخی که بر روی هادی­های باندول شده شکل می گیرد نسبت به یخی که بر روی هادی های تک می­نشیند غیر متقارن تر است بنابراین سطح مقطع هادی­های باندول شده از نظر آیرودینامیکی می تواند ناپایدارتر از هادی­های تک باشد. در هادی­های تک چون کابل سختی کمتری دارد می ­تواند حول محور مرکزی خود گردش داشته باشد که در هنگام شکل گیری یخ، این چرخش باعث می شود که یخ حاصله به حالت تقارن نزدیک­تر باشد در حالی که هادی­های باندول شده دارای سختی پیچشی بیشتری هستند که از این چرخش جلوگیری می کند وسبب می شود که یخ به صورت نامتقارن شکل بگیرد.
در این پایان نامه شرایطی که برای بوجود آمدن پدیده گالوپینگ لازم است را بصورت تئوری به دست خواهیم آورد. ابتدا در این فصل کارهای قبلی که در این زمینه انجام شده وتئوری­های مختلفی که در مورد این پدیده بیان شده است مورد بررسی قرار می گیرند و مدل­های مختلفی که برای بیان این پدیده ارائه شده است معرفی می گردد.
  Galloping

1-1- پیشگفتار
در سال 2400 قبل از میلاد مصریها از سیال برای کاهش تعداد نیروی انسانی مورد نیاز برای کشیدن بلوکهای سنگی بزرگ استفاده کردند. بعد از آن حدود سال 1100 قبل از میلاد استرالیائی­ها از غلتکهای چوبی برای بلوکهای مشابه استفاده کردند اما آنها متوجه مفهوم غلتش به جای لغزش شدند و این موجب توسعه بلبرینگهای غلتشی شد.
بنابراین اختراع بیرینگ یا آنچه كه بنام بلبرینگ در صنعت شناخته شده است به هزاران سال قبل بر می­گردد. در آن زمان بشر دریافت كه حركت چرخشی به مراتب ساده تر از حركت لغزشی صورت می پذیرد لذا اگر در وسائلی نظیر چرخ ارابه ها و گاری­ها یا سنگ­های آسیاب قدیمی از سنگ یا چوب بصورت گویچه ها   ( ساچمه ) در آورده و ما بین قطعاتی كه نسبت به هم حركت دارند، قرار دهد، به مراتب انرژی كمتری مصرف شده و بر نیروی اصطكاك موجود مابین قطعات مزبور غلبه خواهد كرد. بدین ترتیب در گذر زمان بتدریج،گویچه ها بصورت كامل در آمده و با گرفتن حلقه های داخلی و بیرونی و قطعاتی نظیر قفسه، شكل بیرینگ امروزی را به خود گرفتند.
بیشتر پیشرفت­هائی كه در زمینة صنایع و مهندسی صنایع در جهان صورت گرفته و یا می­گیرد كه جزو لاینفك قرن حاضر می باشند بدون وجود بیرینگ ها كه تا حد زیادی بر نیروی اصطكاك موجود در تمامی ماشین آلات و صنایع ماشین سازی و الكتریكی و خانگی و در صنایع خودروسازی غلبه می كند، امكان پذیر نبوده و با پیشرفت روز افزون در صنایع ماشین سازی و خودروسازی روز بروز بر اهمیت وجود بیرینگ ها افزوده می شود.
ازنظرتاریخی زمان اختراع بیرینگ ها بطور دقیق مشخص نیست اما با وجود كشفیات و شواهد تاریخی   می توان گفت كه ساخت بیرینگ به دوران روم باستان بر می گردد كه پیشروان صنعت بیرینگ در آن زمان زندگی می كرده اند، زیرا هنگامی كه در سال 1928 دریاچة نمی خشك شد بر روی یكی از دو كشتی پاروئی كه از زمان امپراطور بزرگ روم كالیگولا باقی مانده بود بلبرینگی یافت شد كه تكیه گاه های آن از چوب ساخته شده بود و دارای ساچمه های برنزی بود، كه از نظر شكل نیز شبیه بلبرینگ های امروزی بوده است. احتمالاً این بلبرینگ در زیر مجسمة بسیار بزرگی برای حمل و یا چرخش آن قرار داده شده بود.
1500 سال بعد لئوناردو داوینچی فیلسوف و ریاضیدان ایتالیائی در دوران حیات خود محاسباتی بر روی یاتاقانهای غلطشی انجام داد كه بر حسب آن محاسبات بلبرینگ بصورت ابتدائی ساخته شد و می توان گفت كه تا حدود اواخر قرن نوزدهم و تا زمان اختراع دوچرخه و چرخ خیاطی، ماشین بخار، ماشین آلات نساجی و غیره اقدامات چندانی در تكمیل و ساخت بیرینگ ها صورت نگرفته بود.

در اواخر قرن نوزدهم با گسترش صنعت دوچرخه سازی اولین تقاضا برای یاتاقانهای بدون اصطكاك بود لذا در همین عرصه كارخانه هائی درانگلستان و آلمان شروع به ساختن ساچمه های فولادی كردند كه تقریباً در همین زمان نیز بلبرینگ به نسبت خیلی كم برای كارهای مهندسی در امریكا ساخته می شد. با اینكه دانش بشر در زمینة بیرینگ ها در سطح ابتدائی بود اما نیاز به وجود اجسامی كه بتواند خصوصیات مربوطه را داشته باشند و به مقدار بسیار زیادی بر نیروی اصطكاك فائق آید بیشتر احساس می شد. بعدها دانشمندی بنام رابت استریبک تحقیقات اساسی در مورد مهندسی بیرینگ انجام داد. در همین زمان بود كه گسترش صنعت اتومبیل سازی بهترین زمینة تقاضا برای این محصول بود. بنابراین در عرض ده سال یعنی از سال 1902 الی 1912 بیش از هفت نوع بیرینگ كه امروزه نیز مورد استفاده قرار میگیرد ساخته شد.
با ایجاد تحول اساسی در تكنولوژی طی سده های نوزدهم و بیستم به جهت گسترش نیازهای بشری و پیشرفت سریع تكنولوژی در عرصه های صنایع ماشین های ابزار و افزار، صنایع خودروسازی، وسایل خانگی، سازه های فضائی و بسیاری از صنایع دیگر این محصول نیز روزبروز تكامل یافته تر شد. چرا كه این محصول رابطة تنگاتنگی با كارآئی دستگاه ها و خودروهای ساخته شده و ارتباط قریبی با ارتقاء سطح تكنولوژی بشری دارد.
البته تولید بیرینگ ها بصورت انبوه، مدرن و استاندارد به سال 1907 بر می گردد. در این سال مهندسی در یک كارخانه نساجی به سبب بروز مشكلاتی كه از شكستن بیرینگها در اثر خمش شفت متوجه خط تولید می شد به فكر ساخت برینگی افتاد كه بتواند خود را با خمش شفت مطابقت  دهد كه این شخص دكتر سوان وینكوئیست بنیانگذار شركت –- بلبـرینـگ  SKF  سوئـد بوده  كه به اخـتراع بلبرینـگ های خود تنـظیم  دســت یافـت. امروزه بیرینگها در انواع متنوع و مختلف در ابعاد بسیار وسیعی در سراسر دنیا توسط شركتهای SKF تولید می شود.
تضمین كیفیت و كارآئی مناسب بیرینگها تحت دورها و شرایط پیچیدة بارهای اعمال شده و شرایط استثنائی نظیر كار در درجه حرارتهای بحرانی، خلاء و محیطهای خورنده و غیره از دلائل عمده ای است كه تأكید بر گسترش دامنة مطالعات و تحقیقات و پیشرفت روز افزون در تكنولوژی ساخت بیرینگ ها در این عرصه از صنعت را دارد.
 
1-2- بیان مسئله
در این تحقیق فرض می­ شود که محور می تواند آزادانه حول محور z دوران کند در تحلیلهای ارتعاشی فرض می شود که دامنه ارتعاشات منتقل شده به بلبرینگ خیلی کوچکتر از جابجایی بلبرینگ به خاطر پیش بار و بارهای خارجی باشد. با داشتن فرضیات فوق، مدل سیستم خطی متغیر با زمان به شکل زیر معرفی می گردد:
که M و C و K به ترتیب جرم و دمپینگ و سختی بلبرینگ و  به ترتیب بردارهای نیروی کلی و جابجایی کلی بلبرینگ می باشند. پس از استخراج مولفه های مختلف ماتریس سختی سیستم، تاثیر این مولفه ها بر مشخصه های ارتعاشی مانند فرکانس های طبیعی، شکل مودهای سیستم و … بررسی خواهد شد.
بنابراین اهداف این تحقیق به شرح زیر خواهد بود:

• توسعه یک ماتریس سختی جدید برای بلبرینگ ساچمه ای تماس زاویه ای دو ردیفه

• توسعه یک مدل تحلیلی ساده برای سیستم محور- بلبرینگ

• محاسبه مولفه های ماتریس سختی و بررسی نقش آنها در مشخصات ارتعاشی سیستم محور- بلبرینگ

• بررسی تاثیر پیش بار بر خصوصیات ارتعاشی سیستم

[1] Nemi
[2] Robert stribeck

 
در این پژوهش بررسی بر روی سیستم های تبرید جذبی غیرقابل برگشت براساس برگشت ناپذیری داخلی و خارجی با توجه به ظرفیت های حرارتی محدود مخازن خارجی ارائه شده است. برای بهینه سازی سیستم  سه سناریو تعریف شد که در این سناریوها توابع هدفی نظیر  ضریب عملکرد (COP) ، تابع محیط زیست (E) و معیار ترمواکونومیک ( ) و نرخ تولید آنتروپی ویژه در فرایند بهینه سازی به طور همزمان درگیر شده اند .سناریو اوّل که شامل دو تابع هدف ، به حداکثر رساندن ضریب عملکرد زیست محیطی ECOP و به حداقل رساندن نرخ تولید آنتروپی ویژه به طور همزمان می باشد. الگوریتم های تکاملی چند هدفه (MOEAs  ) بر مبنای الگوریتم NSGA-II استفاده شده است در حالی که دمای سیال کاری در ژنراتور (  ) ، دمای سیال کاری در اواپراتور (  ) و دمای سیال کاری در کندانسور و دمای سیال کاری در جذب کننده (  ) به عنوان متغیرهای تصمیم گیری در نظر گرفته شده است .
سناریوی دوّم وسوّم شامل توابع هدف ضریب عملکرد (COP) ، تابع محیط زیست (E) و معیار ترمواکونومیک (F ) می باشد که درآن ها این توابع به طور همزمان بهینه شده اند و نتایج بدست آمده با  تحقیقات گذشته مقایسه گردید. الگوریتم های تکاملی چند هدفه (MOEAs  ) بر مبنای الگوریتم
NSGA-II استفاده شده است در حالی که نرخ دمای سیال کاری ( , ) و نرخ سطح انتقال حرارت ( , ) به عنوان متغیرهای تصمیم گیری در نظر گرفته شده است . مرز مطلوب پارتو انجام شده است و یک راه حل بهینه نهایی با بهره گرفتن از روش تصمیم گیری های مختلف مثل روش LINMAP و روش TOPSIS و روش Fuzzy انتخاب شد
کلمات کلیدی: ضریب عملکرد ، روش NSGA-II ، ترمودینامیکی ، تبرید جذبی
 
 

• مقدّمه

با توجه به این كه تاسیسات یک ساختمان به عنوان قلب آن ساختمان محسوب شده و طراحی و انتخاب تجهیزات آن از اهمیت شایانی برخوردار بوده و هم چنین با توجه به اهمیت موضوع كاهش مصرف انرژی در این مقاله سعی بر آن شده تا مزایای چیلرهای جذبی نسبت به تراكمی و طرز كار آن ها جهت تهیه آب سرد جهت سرمایش ، آب گرم جهت گرمایش و هم چنین آب گرم مصرفی در راستای صرفه جویی در مصرف انرژی مورد بحث و بررسی قرار گیرد .
چیلرها از جمله تجهیزات بسیار مهم در سرمایش هستند كه به طور كلی می توان آن ها را به دو دسته چیلرهای تراكمی و چیلرهای جذبی تقسیم كرد. به طور كلی چیلرهای تراكمی از انرژی الكتریكی و چیلرهای جذبی از انرژی حرارتی به عنوان منبع اصلی برای ایجاد سرمایش استفاده می كنند.
در سال های اخیر سیستم های تبرید جذبی بسیار مورد علاقه قرار گرفته اند. این سیستم ها
می توانند از انرژی حرارتی اتلافی، خورشیدی ، بیوماس[4] و انرژی گرمایی به عنوان منبع حرارتی استفاده کنند. معمولاً سیستم های جذبی براساس سیکل های لیتیم برماید/آب و آب/آمونیاک می باشند. مزیت آمونیاک به عنوان مبرد نسبت به آب این است که می تواند در دمای زیر صفر درجه سانتیگراد تبخیر شود و هم چنین دمای نقطه انجماد آمونیاک 77- درجه سانتی گراد است.بنابراین آمونیاک می تواند برای کاربردهای دما پایین استفاده شود. سیستم تبرید جذبی مزایای بسیاری نسبت به سیستم تبرید فشرده سازی بخار (تراکمی) دارد که شامل : الف) ارزش گذاری یک منبع گرم با دمای متوسط (گرمای زائد از صنایع مختلف ، انرژی خورشیدی و انرژی زمین گرمایی) که بدون آن قابل استفاده خواهد بود ، ب)کاهش مصرف منابع انرژی اولیه ؛ ج) کاهش اثرات منفی روی محیط زیست ؛ د) سادگی عملیات آن ، ر) طول عمر بالا و عدم وجود قطعات متحرک ( آرام و مطمئن )  می باشد. بنابراین سردکننده های جذبی برای مصارف صنعتی و خانگی در کل دنیا مورد توجه قرار گرفته اند. با این حال ، سیستم تبرید جذبی ضریب عملکرد کم تر از ضریب سیستم تبرید تراکمی دارد.
ادوین آندرسن[5] در کتاب «تبرید: خانگی و تجاری» در مورد زوج مبرد و جاذب چیلرهای جذبی که دارای ماده جاذب مایع هستند، 9 ویژگی مهم مبرد و جاذب را که می توانند نقش تعیین کننده در انتخاب برای استفاده در این گونه سیستم ها داشته باشند را چنین برمی شمارد :
اوّل: عدم حالت جامد – زوج مبرد و جاذب نباید در طی فعل و انفعالات و دامنه دمایی طبیعی عملیات سرمایش جذبی به حالت جامد درآیند.

 زیرا بروز فاز جامد منجر به کندی حرکت محلول یا حتی انسداد مسیرهای سیال می شود.

دوّم: نسبت فراریت زیاد – فراریت ماده مبرد باید خیلی بیش تر از فراریت ماده جاذب باشد تا امکان جداسازی  آن ها طی عملیات تغلیظ که در ژنراتور صورت می گیرد به سهولت امکان پذیر باشد. امکان جداسازی آسان ماده مبرد از جاذب که به صورت محلول وارد ژنراتور می شوند، تاٌثیر مستقیمی بر کاهش مقدار انرژی گرمایی داشته و از هزینه های مربوط به عملیات تغلیظ می کاهد.
سوّم: میل شدید به جذب – تمایل ماده جاذب به جذب ماده مبرد با توجه به خواص هریک از آن ها در دامنه عملیاتی چیلر جذبی از مهم ترین مشخصه های یک زوج خوب محسوب می شود. چنین میلی منجر به نوعی وابستگی و پیوستگی به هنگام هم نشینی با یک دیگر می شود. از همین رو سرعت ترکیب و درهم ادغام شدن افزایش یافته و ضریب فعالیت مبرد کمتر از واحد می شود و از سوی دیگر مقدار ماده جاذب برای جذب مبرد کاهش یافته و در نتیجه از میزان انرژی گرمایی مورد نیاز کاسته می شود. هم چنین اندازه مبدل حرارتی که امکان تبادل حرارت بین محلول غلیظ ماده جاذب خروجی از ژنراتور و محلول رقیق محلول جاذب و مبرد تحت فشار پمپ را به وجود می آورد کوچک تر می شود. در عین حال تحقیقات ژاکوب[6]، آلبرایت و تاکر[7]   [1-4] نشان می دهد که تمایل شدید ماده جاذب به ماده مبرد مشکل غلیظ سازی را در ژنراتور به همراه دارد، زیرا در ژنراتور انرژی گرمایی بیش تری باید صرف جداسازی این دو ماده شود، که البته با آن میل شدید به وصل، چنین عاقبتی قابل پیش بینی است.
چهارم: فشارمتوسط – فشار عملیاتی ماده مبرد و جاذب برای انجام فرایند جذب و سپس جداسازی که منجر به سرمایش می شود باید در حد متوسط باشد . زیرا نیاز به فشارهای زیاد باعث افزایش ضخامت دیواره های دستگاه و استفاده از تجهیزات و وصاله های فشار قوی می شود که این گونه موارد بر سنگینی و هزینه های آن می افزایند. از طرف دیگر نیاز به فشارهای خیلی پایین و خلأ نیز منجر به افزایش حجم دستگاه برای عملیات جذب شده و تجهیزات خاصی را برای حفظ خلأ در درون دستگاه طلب می کند.
پنجم: پایداری – مواد جاذب و مبرد باید از پایداری و ثبات شیمیایی خوبی برخوردار باشند و خواص اولیه خود را در طی سالیان متمادی حفظ کنند. پایداری شیمیایی امکان شکل گیری گازها و مواد جامد را کاهش داده و خوردگی را به حداقل می رساند.
ششم: خوردگی و فرسایش کم – مواد جاذب و مبرد به هرحال کم یا زیاد موجب خوردگی و فرسایش سطوح فلزی دستگاه می شوند و طبیعتاً در این میان موادی مناسب تر هستند که پایداری آن ها بیش تر و اثرات فرسایشی آن ها کم تر باشد. برخی اوقات برای جلوگیری از اثرات فرسایشی مواد لازم می شود تا ترکیبات شیمیایی دیگری به عنوان بازدارنده به زوج جاذب و مبرد اضافه شود.
هفتم: ایمنی – زوج جاذب و مبرد نباید سمی یا قابل احتراق باشند و هم چنین استفاده از آن ها نباید تاٌثیرات زیان بار زیست محیطی به دنبال داشته باشد. هرچه عوارض آ نها کم تر و ایمنی استفاده از آن ها بیش تر باشد، از امتیاز کاربری بالاتری برخوردار خواهند بود.
هشتم: ویسکوزیته کم – هرچه مواد جاذب و مبرد روان تر و دارای ویسکوزیته کمتری باشند، حرکت آن ها سریع تر و بهتر انجام می شود و در نتیجه انتقال گرما و جرم راحت تر صورت می گیرد و پمپ ها انرژی کمتری برای جابجایی آن ها صرف می کنند.
نهم: گرمای نهان زیاد مبرد – هرچه گرمای نهان مبرد بیش تر باشد، نرخ گردش ماده جاذب کمتر خواهد بود. بالا بودن گرمای نهان مبرد منجر به افزایش بازده می شود. زوج های شناخته شده جاذب و مبرد همه خواص بالا را به صورت کامل دارا نیستند، اما از میان آن ها زوج جاذب لیتیم بروماید / آب و همین طور آب / آمونیاک شرایط بهتری دارند و با توجه به موارد فوق، انتظارات بیش تری را برآورده می کنند. سایر زوج های جاذب و مبرد که می توانند مورد بررسی و تحقیق قرار گیرند، عبارتند از:
آمونیاک و نمک امتیل آمین و نمک ها،‌ الکل ها و نمک های آمونیاک و محلول های آلی دی اکسید گوگرد و محلول های آلی[8] هیدروکربن های هالوژنه و محلول های آلی بعضی از این مواد دارای برخی ویژگی های مناسب مانند عدم متبلور شدن در چرخه سرمایش جذبی هستند اما در برخی، موارد دیگر همچون پایداری، خوردگی و ایمنی شرایط چندان خوبی ندارند. همان طور که اشاره شد، در حال حاضر زوج های لیتیم بروماید / آب و آب / آمونیاک مناسب ترین زوج های مورد استفاده در سیستم های سرمایش جذبی هستند و بر همین اساس می توان سیستم های سرمایش جذبی را از نظر نوع ماده جاذب و مبرد در دو گروه عمده زیر طبقه بندی نمود :
– سیستم سرمایش جذبی با مبرد آب و ماده جاذب لیتیم بروماید
– سیستم سرمایش جذبی با مبرد آمونیاک و ماده جاذب آب
1-1- سیستم سرمایش جذبی با مبرد آب و ماده جاذب لیتیم بروماید:
چیلرهای جذبی با مبرد آب و جاذب لیتیم بروماید، رایج ترین نوع چیلرهای جذبی هستند که در انواع مختلف هم از نظر چرخه تغلیظ و هم از لحاظ منبع گرمایی در تاسیسات تهویه مطبوع مورد استفاده قرار می گیرند. این چیلرها بنا به خواص فیزیکی و شیمیایی مبرد آب امکان سردسازی زیر صفر درجه سانتی گراد را ندارند و به همین دلیل برای سرمایش آب تا 5 درجه سانتی گراد و بیشتر به کار گرفته می شوند. برای رسیدن به دماهای پایین تر از صفر درجه سانتی گراد باید از چیلرهای جذبی با مبرد آمونیاک و جاذب آب استفاده نمود. چیلرهای لیتیمی برای ظرفیت های کمتر از 30 تن تبرید نیز کاربرد چندانی ندارند و به طور معمول چیلرهای کم ظرفیت یکپارچه آپارتمانی با ظرفیت های 3 ، 5 و 10 تن تبرید از نوع آمونیاکی هستند.
چیلرهای جذبی لیتیمی شامل انواع مختلف یک اثره، دو اثره، سه اثره، با ژنراتور بخار، آب داغ، آب گرم و شعله مستقیم می شوند. بنابراین شرح و توضیح درباره هر یک از این انواع، به خودی خود متضمن شناسایی چیلرهای لیتیمی به طور اعم نیز می شود. بنابراین در این قسمت ابتدا به خواص آب به عنوان مبرد و لیتیم بروماید به عنوان جاذب می پردازیم و سپس بحث را در این بخش به
گونه ای پی می گیریم تا کلیات مرتبط با تمامی چیلرهای لیتیمی بدون طرح شرایط اختصاصی
گونه های مشخص آن ها مورد بررسی قرار گیرد و به هنگام پرداختن به انواع یک اثره، دو اثره، سه اثره و شعله مستقیم، بازهم مواردی در این باره با نگاه و رویکردی متفاوت طرح خواهد شد. بنابراین به منظور جلوگیری از تداخل موضوعی و پرهیز از تکرار مندرجات، بررسی کامل این گونه چیلرها را به مباحث مربوط به چیلرهای یک یا چند اثره موکول می کنیم. آب، یکی از بهترین حلال های شیمیایی است و از این نظر ماده بسیار مناسبی برای حل نمودن نمک ها از جمله لیتیم بروماید محسوب می شود. در واقع خاصیت حلالیت آب است که منجر به ایجاد محلول رقیق و حمل و انتقال ماده جاذب در چرخه سرمایش جذبی می شود. به دلیل خاصیت حلالیت خارق العاده، دسترسی طبیعی به آن بدون ترکیبات مختلف و به صورت کاملاً خالص بسیار مشکل و تقریباً غیرعملی است. بنابراین آب به صورت طبیعی حاوی انواع عناصر و ترکیبات است. آب می تواند حاوی انواع ترکیبات اکسیژن، کربن، نیتروژن و سولفورها باشد. همچنین وجود فلزاتی مانند مس، روی، آهن، منگنز، سرب، آلومینیوم و انواع عناصر دیگر مثل کلسیم، پتاسیم، سیلیس، فلوئوروید و انواع باکتری ها در آن محتمل است. وجود کربن در آب می تواند موجب خوردگی فلزات شود و همین طور وجود اکسیژن در آب نیز زنگ زدگی و فرسایش قطعات فلزی را به همراه خواهد داشت. وجود سولفات ها ، نیترا تها ، کلریدها و کربنا تها نیز موجب سختی آب و ایجاد رسوب گذاری در لوله ها و کاهش انتقال حرارت و افزایش خوردگی می شوند.
[1] Coefficient of Performance
[2] Multi-objective evolutionary algorithms
[3] Non-dominated sorting genetic algorithm
 
[4] Biomass
[5] Edvin Andersen
[6] Jacob
[7] Taker
[8] Organic

امروزه صنعت نفت و گاز در جهان یکی از مهمترین و حیاتی ترین صنایع موجود می باشد. در کشور ما نیز به لحاظ منابع عظیم زیرزمینی نفت و گاز، حجم عظیمی از منابع درآمدی کشور از این راه تأمین می شود. لذا گسترده ترین مراکز صنعتی کشور در این زمینه است. حفاری چاه ها، مراکز بهره برداری، خطوط انتقال، ایستگاه های تقویت و تقلیل فشار، صنایع پتروشیمی و… را می توان در این زمینه نامبرد که بدون شک این صنایع در جهان جزو بزرگترین مراکز فنی و مهندسی هر کشوری می باشند.
پس از اینکه چاه های نفت و گاز حفر گردیدند وملزومات بهره برداری بر روی آنها نصب شد باید برای انتقال به مراکز پالایشی، صنعتی و مصرفی از خطوط لوله[1] استفاده شود. خطوط لوله به عنوان شاهرگ اصلی انتقال انرژی در جهان به شمار می آیند. پس از اینکه خط لوله ای نصب و به بهره برداری رسید، عوامل گوناگونی از جمله خوردگی[2]، خرابی لوله و گرفتگی خط، تعمیر خط لوله را ضروری می سازد. در هنگام نگهداری خط و حفاظت از آن در برابر عوامل مخرب از وسایل مختلفی برای جلوگیری و یا به تعویق انداختن خرابی لوله ها استفاده می شود، یکی از پر کاربردترین این وسایل پیگ[3] می باشد. پیگ ها، ابزارهایی هستند كه داخل خط لوله توسط جریان سیال اعم از نفت، گاز، آب و… حركت می كنند. معمولا برای از بین بردن مواد ته نشین شده كه موجب مسدود شدن یا كند شدن جریان در خط لوله می شوند و یا شناسایی نقاط آسیب دیده، تركها و خوردگی ها در خطوط لوله از این وسیله بازرسی استفاده می شود.

فصل اول
کلیات
 
1-1 بیان مساله
پیگ وسیله ای است که به شکل های مختلف و بسته به نیاز ساخته می شود. به منظور استفاده از آن، آن را در ابتدای خط قرار داده و به وسیله فشار سیال پشت آن به جلو می رانند و در انتها از خط خارج می کنند. از پیگ ها برای بالا بردن مقدار جریان عبوری از خط لوله استفاده می شود. هرگونه کاهش در ابعاد داخلی خط لوله باعث کاستن از میزان جریان عبوری از آن می شود. عملا نمی توان از یک خط انتظار بازده 100% را داشت. اصطکاک و سایر عوامل فیزیکی باعث کاستن از میزان جریان سیال درون لوله می شوند. گرد و غبار همراه با گاز، پارافین ها، آب، سیالات چند فازی و شن و ماسه درون چاه که به همراه نفت و گاز خارج می شود باعث بروز مشکلاتی در امر انتقال می گردند. در تمام حالات گفته شده، آلودگی های همراه با مواد استحصالی باعث افزایش مقاومت در مقابل عبور جریان شده و راندمان خط را کاهش می دهند، در نتیجه هزینه انتقال افزایش می یابد.
به عمل استفاده از پیگ در داخل لوله، پیگ رانی گفته می شود. پیگ های اولیه برای تمیز کردن لوله به عنوان روشی کم هزینه وسریع مورد استفاده قرار می گرفته اند؛ ودر حال حاضر نیز پیگ رانی معمولی (برای تمیزکاری) استفاده ی فراوانی دارد. پیگ رانی هوشمند[4] نیز وظایفی از قبیل نظارت بر بدنه لوله وضبط اطلاعات هندسی لوله را نیز به عهده دارد. اندازه گیری میزان جریان عبوری از خط و مشاهده کاهش زیاد در جریان عبوری نشان می دهد که زمان آن فرا رسیده که خط موردتوجه قرار گیرد. تمیز کردن دوره ای به وسیله پیگ راهی است که ازخورده شدن لوله توسط مواد خورنده همراه با سیال جلوگیری می کند.
 
در این پایان نامه به بررسی حرکت یک جسم استوانه ای درون لوله به عنوان مدل ساده شده ای از یک پیگ، تحلیل دینامیکی[5] آن و مقایسه محاسبات هندسی ونرم افزاری با نتایج تحلیلی و تجربی یک پیگ واقعی پرداخته می شود. از آنجا که بررسی حرکت جسم جامد درون لوله به پارامترهای گوناگونی بستگی دارد بدست آوردن فرمولی جامع که این پارمترها را به هم مرتبط سازد عملا غیرممکن است به همین دلیل ساده سازی هایی در هنگام بدست آوردن وحل معادلات حاکم بر جریان صورت می پذیرد. جواب های بدست آمده باید با نتایج آزمایشگاهی و نیمه تجربی مقایسه شود تا از میزان دقت آنها اطلاع حاصل گردد. امروزه حل عددی و نرم افزارهای کامپیوتری کمک فراوانی به این امر نموده اند.
[1] -pipelines
[2] -corrosion
[3] -pig (pipeline inspection gauge)
[4] -intelligent piging
[5] -dynamic analysis