پیش بینی برخی خواص ترموفیزیکی مبردهای صنعتی در دماهای کرایوژنیک با استفاده از روش دینامیک مولکولی

با توجه به افزایش کاربرد سیستم¬های سرمایش عمیق در تکنولوژی¬های نوین از جمله صنایع پزشکی و پتروشیمی و همچنین رویکرد دو دهه¬ی اخیر صنایع نفت و گاز به مایع سازی گازهای طبیعی، تعیین خواص ترموفیزیکی مبردها در صنایع کرایوژنیک از اهمیت زیادی برخوردار است. در این صنایع شبیه سازی دینامیک مولکولی کلاسیک، رهیافتی نسبتا جدید است که به کمک آن می توان با تکیه بر روابط مکانیک آماری به پیش بینی خواص انتقالی مبردها پرداخت. در این تحقیق ابتدا به شبیه سازی هلیوم به عنوان یک مبرد ساده و تک اتمی در گستره دمایی 6 تا 50 کلوین و در فشارهای متفاوت پرداخته شده است و دو خاصیت مهم چگالی و انتالپی محاسبه گردیده است. به کمک این شبیه سازی دریافته شده است که در دماهای نزدیک به نقطه¬ی شبنم، استفاده از تابع پتانسیل لنارد-جونز در مدل کروی مولکول¬ها، کارائی مناسب تری نسبت به تابع پتانسیل باکینگهام برای پیش بینی چگالی و انتالپی هلیوم دارد. در ادامه نیتروژن که در اکثر مخلوطهای مبرد طبیعی وجود دارد در گستره دمایی75 تا 175 کلوین و در فشار های1 تا 10 بار شبیه سازی شده است. از آنجاییکه نیتروژن یک مولکول دو اتمی است، سهم انرژی¬های چرخشی و ارتعاشی اتم¬ها در کنار سهم انرژی انتقالی در محاسبه آنتالپی نیز باید لحاظ شود. با توجه به عدم محاسبه¬ی انرژی ارتعاشی و همین¬طور عدم تشخیص تغییر فاز توسط دو تابع لنارد-جونز و باکینگهام، از میدان نیروی amber استفاده گردیده که پتانسیل مذکور نتایج قابل قبول تری در فشارهای بالاتر ارائه داده است. در این تحقیق همچنین مبرد متان به عنوان یکی از اجزاء اصلی تشکیل دهنده ی مخلوطها ی مبرد طبیعی -که معمولا بیش¬ترین سهم مولی را دارا می باشد- شبیه سازی گردیده است. توابع پتانسیل لنارد-جونز، باکینگهام و میدان نیروی oplsaa برای محاسبه مقادیر چگالی و انتالپی متان در گستره دمایی108 تا 208 کلوین و در فشار¬های 1تا 10 بار استفاده شده¬اند. نتایج بدست آمده نشان می¬دهند که توابع پتانسیل و میدان نیروی مذکور در حالتی که مولکول متان را صلب فرض می¬کنیم نتایج درستی نشان می¬دهند. باتوجه به تشابه نوع اتم¬ها و پیوندهای متان با هیدروکربن¬های سبک¬تر، با الگوبرداری از مدل بهینه در شبیه سازی متان به شبیه سازی اتان در محدوده¬ی 183 تا 283 کلوین و پروپان در محدوده¬ی228 تا 328 کلوین نیز پرداخته شده است. در آخر در محدوده¬ی 183 تا 283 کلوین مخلوط مولکول¬های نیتروژن، متان، اتان و پروپان شبیه سازی شده و نتایج با داده¬های بدست آمده از معادله حالت لی-کسلر مقایسه شده است. نتایج نشان می¬دهد با پیداش اولین شبنم در مخلوط نتایج شبیه سازی از نتایج معادله حالت انحراف پیدا می¬کند.