23351

تحليل پارامترهاي مؤثر و بهينه‌سازي روتور توربين انبساطي پيچشي

دكتري

مهندسي مكانيك - تبديل انرژي

1392

1399-03-26

محمود ابراهيمي

مهدي مقيمي

مهندسي مكانيك

اين پژوهش ضمن دستيابي به روش طراحي توربين انبساطي پيچ دوقلو، يك روش جديد را براي بهينه‌سازي اين نوع از توربين‌هاي انبساطي معرفي مي‌نمايد كه درنتيجه آن ودر حداقل زمان و هزينه محاسباتي ممكن يك طراحي بهينه در تمام فضاي مورد مطالعه براي توربين حاصل مي‌شود. مدل‌سازي‌هايي كه در سال‌هاي اخيروتاكنون در خصوص اين نوع از توربين‌هاي انبساطي انجام‌شده است همگي به‌صورت تحليل يك‌بعدي ترموديناميكي، استفاده از منحني‌هاي تجربي و يا بر اساس تكنيك ديناميك سيالات محاسباتي بوده است كه با توجه به محدوديت‌هاي ناشي از به‌كارگيري اين ابزار، تاكنون تحليل در تمام فضاي طراحي امكان‌پذير نشده است لذا بهره‌گيري از يك روش مكمل ديگر براي تحليل جامع اين ماشين‌ها در تمام فضاي موردمطالعه و در حداقل زمان ممكن ضروري است. در اين تحقيق براي اولين بار اقدام به بهينه‌سازي پروفيل توربين‌هاي انبساطي پيچ دوقلو از طريق مدل‌سازي بر اساس جايگزيني شده است. براي اين منظور پس از تعيين پارامترهاي مؤثر و بازه تغييرات آن‌ها، به كمك تكنيك طراحي آزمايش‌ها ماتريس نمونه‌ها ازتركيب پارامترهاي موردمطالعه به‌عنوان متغيرهاي ورودي تشكيل و بازده اگزرژي براي هركدام از آن‌ها از طريق مدل‌سازي سه‌بعدي وديناميك سيالات محاسباتي، محاسبه و با استفاده از نتايج به‌دست‌آمده، مدل جايگزين تعريف مي‌گردد. سپس به كمك روش بهينه‌سازي ژنتيك و باهدف حداكثر بازدهي اگزرژتيك بهترين تركيب براي پارامترهاي هندسي موردمطالعه از فضاي طراحي استخراج مي‌گردد. نتايج نشان مي‌دهد استفاده از اين روش منجر به طراحي پروفيل بهينه‌اي با بيش از7 درصد راندمان اگزرژي بالاتر خواهد شد.در اين مطالعه همچنين براي نخستين بار كاربرد توربين انبساطي پيچي در يك ايستگاه نمونه تقليل فشار گاز از طريق شبيه‌سازي سه‌بعدي و بر اساس داده‌هاي فرآيندي همان ايستگاه مورد تجزيه‌وتحليل قرار گرفت و مشخص گرديد علاوه بر امكان به‌كارگيري اين نوع از توربين‌ انبساطي در كليه فصول سال ، بازده اگزرژي ساليانه آن نيز بيش از 85 درصد است لذا اين كاربرد از جذابيت فني بالاتري نسبت به ساير توبين هاي انبساطي در ايستگاه‌هاي تقليل فشار برخوردار است.

1400/01/25

Twin-screw expander rotor optimization and parametric study

6/15/2020 12:00:00 AM

This study, while achieving the twin-screw expander (TSE) design method, introduces a new method for optimizing this type of expansion turbine, which results in optimal design for the turbine in the minimum possible computational time and cost. Modeling of this type of expansion turbine in recent years has all been in the form of one-dimensional thermodynamic analysis, use of experimental curves, or computational fluid dynamics. Due to the limitations of using this tool, analysis in all design spaces has not been possible so far, so it is necessary to use another complementary method for a comprehensive analysis of these machines in all studied spaces and in the shortest possible time. In this study, for the first time, the profile of the twin-screw expander has been optimized based on Surrogate-Based Modeling (SBM). For this purpose, after determining the effective parameters and the range of their changes, with the help of design of experiments technique, the sample matrix was formed from the combination of the studied parameters as input variables and the exergy efficiency for each of them was calculated using three-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) then an SBM model is defined. After that, with the help of genetic optimization method and with the aim of maximum energy efficiency, the best combination for the studied geometric parameters is extracted from the design space. The results show that using this method will lead to the design of an optimal profile with more than 7% higher exergy efficiency. In this study, for the first time, the application of TSE in a city gas station was analyzed by three-dimensional simulation based on the annual process data of the station. The results show that TSE annual exergy efficiency is more than 85%, so this application is more technically attractive than other expansion turbines at the pressure reduction stations.

مدل جايگزيني , بهينه‌سازي , توربين انبساطي پيچي دوقلو , طراحي آزمايش‌ها , بازده اگزرژي , ديناميك سيالات محاسباتي , ايستگاه تقليل فشار گاز

Surrogate-Based Modeling , optimization , Twin screw expander , Design of Experiments , exergy efficiency , City gas station , computational fluid dynamics