در دهه¬های اخیر مساله¬ی انرژی و تامین آن اهمیت بیش از پیش یافته است. افزایش روزافزون توجه به گاز طبیعی به عنوان یک منبع مهم انرژی را در همین راستا می¬توان قلمداد کرد. در انتقال گاز طبیعی برای مسافت های بالای 3500 کیلومتر استفاده از خط لوله مناسب نیست و مایع سازی گاز طبیعی (lng) از آن رو که حجم گاز را 600 برابر کاهش می¬دهد، برای نگه¬داری و انتقال گاز در این شرایط، مناسب¬تر می¬باشد. سرمایش کرایوژنیکی، بیشترین سهم از مصرف انرژی را در فرایندهای lng دارا می¬باشد؛ از این رو تلاش برای بهینه¬سازی مصرف انرژی در این چرخه¬ها اهمیت خود را نمایان می¬سازد. مبردهای چندجزیی به خاطر گستره¬ی بالای دمایی و نقطه¬ی جوش متغیر، باعث افزایش درجه آزادی و کاهش تلفات انرژی در چرخه¬های کرایوژنیکی به میزان قابل توجهی می¬شوند. واحد مایع¬سازی گاز طبیعی در سکوهای شناور فرآورشی- مخزنی (lng fpso) به خاطر کاهش تجهیزات و سطح مورد نیاز، سیار بودن و انتقال آسان¬تر گاز دارای مزایای بسیاری در زمینه¬ی حمل و نقل گاز طبیعی می¬باشد. در این تحقیق بهینه¬سازی ترکیب اجزای مبرد چندجزیی و شرایط عملیاتی چرخه¬ی دوگانه¬ی مبرد چندجزیی جهت دست¬یابی به هدف کاهش مصرف انرژی مورد توجه قرار گرفته است. نتایج بهینه¬سازی، کاهش 4.5 درصدی مجموع توان مصرفی چرخه را نسبت به پژوهش¬های پیشین در پی داشت. با انجام آنالیز حساسیت چرخه¬ی سرمازا مشخص شد که توان مصرفی چرخه¬ی سرمازا به پارامترهای دبی مبرد چرخه¬ی اصلی، فشار تخلیه¬ی کمپرسورها، دمای مبرد چرخه¬ی اصلی در ورود به کمپرسور و اجزای مبرد با وزن مولکولی کمتر و نقطه¬ی جوش بالاتر، نسبت به پارامترهای دبی مبرد چرخه¬ی پیش¬سرمایش، فشار مکش کمپرسورها، دمای مبرد چرخه¬ی پیش¬سرمایش و اجزای مبرد با وزن مولکولی بیشتر و نقطه¬ی جوش پایین¬تر، حساس¬تر است. در مجموع چرخه¬ی سرمازا به پارامتر دما نسبت به فشار و به اجزای مبرد چرخه¬ی پیش¬سرمایش نسبت به اجزای مبرد چرخه¬ی اصلی حساسیت بیشتری نشان می¬دهد. هم¬چنین چرخه¬ی دوگانه¬ی مبرد چندجزیی حساسیت بیشتری نسبت به چرخه¬ی یک¬طبقه¬ دارد. از این رو لزوم در نظر گرفتن تجهیزات کنترلی بیشتر و دقیق¬تر در طراحی چنین سیستم¬هایی احساس می¬شود. در مجموع بهینه¬سازی جامع شرایط عملیاتی و اجزای مبرد چندجزیی در این چرخه با استفاده از الگوریتم ازدحام ذرات، در کنار آنالیز حساسیت بی¬بعد چرخه، دستاورد این تحقیق است.

در این تحقیق ابتدا به انتخاب چرخه¬ی بهینه¬ی برایتون معکوس با توجه به ضریب عملکرد، میزان تلفات و راندمان اگزرژی پرداخته شده است. همچنین تأثیر تغییرات دما و فشار در نقاط بعد از کمپرسور و اکسپاندر، با در نظر گرفتن حداقل اختلاف دما در مبدل¬های پس ازآن ها در کمینه کردنِ توان خالص مصرفی بررسی شده است. با مقایسه ی آرایش¬های ساده و بهبودیافته¬ی چرخه¬ی سرمازا، چرخه¬ی بهبودیافته با تراکم دومرحله ای و بدون جدایش جریان، بهترین عملکرد را در محدوده ی دمایی 50 تا 70 کلوین از خود نشان داد. سپس میزان حساسیت ضریب عملکرد چرخه نسبت به تغییرِ برخی پارامترها از قبیل دمای جریان ورودی به جعبه¬سرد، فشار میانی، افت فشار و اختلاف دمای محدود در مبدل¬های حرارتی بررسی شد. با کاهش اختلاف دمای محدود در مبدل¬های حرارتی، دمای ورودی به جعبه¬سرد افزایش و توان مصرفی کاهش یافت که این امر نشان دهنده ی تأثیر قابل توجه این پارامتر در عملکرد چرخه¬ی برایتون معکوس می¬باشد. با افزایش تعداد مراحل تراکم، تلفات اگزرژی در خنک کننده های بعد از کمپرسورها کاهش و درنتیجه ضریب عملکرد چرخه افزایش یافت. اُفت فشار در مبدل¬های حرارتی، موجب افزایش تلفات اگزرژی در این تجهیزات و درنتیجه افزایش توان مصرفی در چرخه¬ی کرایوژنیکی موردبررسی می¬شود. بدیهی است تعداد مبدل¬ها و مقدار اُفت فشار در هریک از آن ها، بیان کننده ی میزان تأثیر این پارامتر در عملکرد چرخه¬ی کرایوژنیکی می باشند. در بخش دیگر نمودارهای ترکیبی با تکیه بر تئوریِ پینچ رسم و اثر دوبخشی نمودنِ مبدل بازیاب میانی بررسی گردید. در انتها با انجام آنالیز حساسیت، عدم قطعیت در پارامترِ توان مصرفیِ چرخه¬ی سرمازا نسبت به مقدار اغتشاش در نظر گرفته شده برای پارامترهای مختلفِ چرخه تعیین شد. توان مصرفی چرخه¬ی سرمازا، نسبت به متغیرهای راندمان آدیاباتیکِ کمپرسور و فشار حداکثری مبرد در مقابله با متغیرهای دما، دبی و فشار نیتروژن ورودی و خروجی و همچنین دمای مبرد خروجی از خنککن، حساستر میباشد.

مسئله گرمایش کره زمین و عوارضی که در پی آن پیش می¬آید، امروزه بر کسی پوشیده نیست. این گرمایش عمدتا ناشی از تولید گاز¬های گلخانه¬ای نظیر دی اکسید کربن، بخار آب، اکسید¬های نیتروژن و گوگرد و... می¬باشد. پیش¬بینی¬ها حاکی از این است که دمای کره زمین تا پایان قرن بیست و یکم در حدود 4/1-8/5 درجه سانتیگراد افزایش می¬یابد. اکثر حجم این گازها حاصل سوزاندن سوخت¬های فسیلی است که در مراکز صنعتی، نیروگاهی، پالایشگاهی و پتروشیمی برای گرمایش فرآیند¬ها به کار می¬رود. سازمان¬های فعال در زمینه پیشگیری از گرمایش کره زمین بر این باورند که سهم دی اکسید کربن بین 55% تا 67% در گرم¬تر شدن زمین است. از این میان بخش نیروگاهی با سهم 24% در تولید پیشتاز صنایع آلاینده کشور می¬باشد. امروزه روش¬های جمع¬آوری و ذخیره سازی دی اکسید کربن( ccs) از مباحث مورد توجه مسائل زیست محیطی است. در این روش، دی اکسید کربن از دودکش صنایع آلاینده جدا می¬شود و برای ذخیره¬سازی بلند مدت ، به سفره¬های زمین¬شناختی از قبیل بستر¬های نفت و گاز، لایه¬های ذغال¬سنگ غیر قابل برداشت و همچنین لایه¬های آب شور در اقیانوس¬ها تزریق می¬شود. نتیجه این عملیات، ازدیاد برداشت نفت و گاز از بستر¬های انرژی رو به اتمام می¬باشد. با توجه به موارد ذکر شده، در این تحقیق اقدام به جداسازی و ذخیره¬سازی دی اکسید کربن از گاز دودکش یک نیروگاه سیکل ترکیبی آلاینده داخل کشور شده است. ابتدا یک چرخه کرایوژنیکی جداسازی و جمع¬آوری دی اکسید کربن معرفی شده و در ادامه، بهینه¬سازی آن از منظر فنی صورت می¬پذیرد. در طی فرآیند تحقیق، آرایش چرخه پیاپی دستخوش تغییر شده و در انتها بهترین آرایش از نظر فنی و انرژی معرفی می¬گردد. پارامتر¬هایی از جمله: کار محوری، مصرف انرژی حرارتی و سطح مورد نظر جهت انتقال حرارت برای کمینه¬سازی مد¬نظر بوده است. به عنوان نمونه، اتلاف اکسرژی در کمپرسور فشار بالای چرخه با ایجاد طبقات مختلف کمپرسور و بازیاب اصلاح شده است. همچنین با استفاده از ماشین¬های انبساطی( اکسپندر)، فشار جریان ناخالصی بازیافت شده است. در برخی نقاط چرخه، نیاز به باز طراحی قسمت¬هایی از چرخه احساس شد، که با توجه به ایجاد کمترین اتلاف اکسرژی، بخش¬هایی از چرخه اصلاح شده است. از روش¬های مختلفی در بهینه¬سازی استفاده شده است: آنالیز اکسرژی، انتگراسیون حرارتی( تکنولوژی پینچ) و آنالیز ترکیبی پینچ و اکسرژی از جمله ابزار¬های مورد استفاده در این تحقیق می¬باشند. هریک از این روش¬ها مزایا و معایب مخصوص به خود را دارند که متناسب با روند بهینه¬سازی، به کار رفته¬اند.

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.

در این پایان نامه با توجه به آنالیز اگزرژی و انرژی به بررسی سیستم ترکیبی تبرید جذبی و اجکتور پرداخته شد. با توجه به سیال کار لیتیوم بروماید، چیلر جذبی در نرم افزار ees طراحی و سپس جهت اعتبار سنجی سیکل co2 به همراه اجکتور به آن اضافه شد. استفاده از سیکل ترکیبی تبرید و اجکتور در دو حالت استفاده از چیلر جذبی تک اثره و دو اثره میزان ضریب عملکرد را افزایش می دهد. در آنالیز اگزرژی بر روی اجزاء سیکل همچنین بهترین چیدمان سیکل تک اثره و دو اثره بر اساس قانون اول و دوم ترمودینامیک مشخص گردید. استفاده از دو اجکتور در سیکل تبرید تک اثره ضریب عملکرد را از 0.72 به 1.13 و در سیکل تبرید دو اثره در بهترین سناریو از 1.3 به 1.88 افزایش داد.

با توجه به مبردهای بسیار مختلف و متفاوت سیکلی با فشار بیشینه 1100 و کمینه 200 کیلوپاسکال انتخاب شد که در این بین سیالاتی که عملکرد مناسبی دارند شناسایی شدند. در بین مبردهای cfcs دو مبرد r134a و r22 وبرای hcfcs، مبردهای r11 و r12 مورد بررسی قرار گرفت که در نهایت مشخص شد با اختلاف دمای اواپراتور سیکل بالا و کندانسور سیکل پایین برابر 8درجه سانتی گراد سیال 290r به عنوان مبرد طبیعی در سیکل پایین و مبرد آمونیاک در سیکل بالا دارای عملکردی با4/2 به حداقل دمای 42 درجه زیر صفر در فشار اتمسفریک دست یافت. در این پژوهش دو رویکرد مورد بررسی قرار گرفت. در رویکرد نخست فشارهای بیشینه و کمینه ثابت و منطبق بر سیکل های متداول فرض شد تا تنها پارامتر اثر گذار بر cop، صرفا مبرد باشد تا امکان جایگزین نمودن مبردهای طبیعی در سیستم مورد مطالعه بررسی شود. در رویکرد دوم فشار در قسمت اواپراتور سیکل دماپایین به 100 کیلو پاسکال تقلیل یافت و با یافتن فشارهای بهینه در میانه سیستم، چرخه ای جدید به منظور دست یابی به دمای پایین تر و cop بالاتر معرفی شد.

در دهه¬های اخیر مسئله¬ انرژی و تأمین آن اهمیت بیش از پیش یافته است. افزایش روزافزون توجه به گاز طبیعی به عنوان یک منبع مهم انرژی را در همین راستا می¬توان قلمداد کرد. گاز طبیعی یکی از پاک ترین سوخت¬های فسیلی می¬باشد که تقاضا برای جایگزینی سایر سوخت¬های فسیلی با آن رو به افزایش است. ایران نیز با توجه به قرار داشتن در رتبه دوم دنیا از لحاظ دارا بودن منابع گاز طبیعی، همواره در پی آن بوده است که این سوخت را به عنوان حامل اصلی انرژی بخش خانگی و نیروگاهی مطرح نماید.‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬ با این وجود، بررسی¬های اخیر شاخص¬های توسعه گاز نشان می¬دهد که سرعت توسعه در شبکه¬های فرعی گاز فراتر از سرعت توسعه طرح¬های توسعه تولید (شامل میادین گازی و پالایشگاه¬های گاز) و طرح¬های توسعه انتقال (خطوط لوله سراسری) بوده است، بدین معنا که مصرف گاز بیشتر از تولید آن رشد کرده است. این موضوع باعث شده که تأمین گاز در فصول سرد با مشکل روبرو شود به طوری که با دادن اولویت به تأمین گاز بخش خانگی، تأمین کمبود گاز سایر بخش¬های مصرف نظیر نیروگاه ها و برخی از صنایع انرژی¬بر با مشکلات عدیده ای مواجه می گردد. یکی از روش های مقابله با این موضوع(کمبود گاز طبیعی)، مایع سازی و ذخیره سازی گاز طبیعی مازاد در فصول گرم سال با استفاده از واحدهای مایع سازی(قله سایی) است. در این تحقیق دو فرایند اکسپاندری-نیتروژنی و مبرد چندجزیی ساده که ازجمله فرایندهای مطرح مایع سازی گاز طبیعی در حوزه قله سایی می باشند، مورد ارزیابی قرارگرفته اند. تغییرات شرایط محیطی و عملیاتی (نظیر تغییرات دبی، فشار، دما و ترکیب گاز خوراک ورودی) از جمله مشکلاتی است که واحدهای قله سایی به طور دائم با آن مواجه خواهند شد؛ درنتیجه، حساسیت کم به تغییر شرایط احتمالی (اغتشاشات ورودی)، یکی از ملاک های مهم در انتخاب فرایند مناسب جهت واحدهای قله سایی محسوب می شود. در این تحقیق به منظور بررسی حساسیت فرایندها نسبت به تغییرات، از روش آنالیز حساسیت بی بعد استفاده شده است. آنالیز حساسیت، ابزاری مناسب جهت شناسایی پارامترهای کلیدی یک سیستم می¬باشد که بامطالعه نتایج آنالیز آن می¬توان پارامترهای حساس سیستم را شناسایی نمود. در این تحقیق، حساسیت توان مصرفی و عملکردی دو فرایند فوق الذکر نسبت به تغییر پارامترهایی نظیر فشار مکش و تخلیه مبرد، فشار، دما و دبی گاز خوراک ورودی، دمای قبل از منبسط کننده، دمای بعد از خنک کننده ها و درصد اجزای تشکیل دهنده مبرد و گاز خوراک مطالعه شده است. نتایج نشان دهنده این موضوع است که عدم قطعیت در توان مصرفی برای دو فرایند مبرد چندجزیی و اکسپاندری- نیتروژنی به ترتیب برابر %9/3 و %9/1 می باشد؛ این مقادیر در کنار سایر نتایج استخراج شده نشان دهنده حساسیت بیشتر فرایند مبرد چندجزیی در مقایسه با فرایند اکسپاندری است.‬ لازم به ذکر است که هرقدر عدم قطعیت در پاسخ یک مدل نسبت به اغتشاشات وارده به آن بیشتر باشد، به¬تبع آن، سطح دقت تجهیزات موردنیاز جهت اندازه-گیری مقادیر متغیرهای ورودی به مدل، افزایش می¬یابد. اغتشاش اعمالی، علاوه بر تأثیرگذاری برتوان مصرفی، در مواقعی اختلال در عملکرد کلی فرایند را نیز در پی داشته و موجب بروز مشکلاتی نظیر تداخل دمایی در مبدل¬های حرارتی و یا ورود مایع به کمپرسور می¬گردد که خسارات جبران ناپذیری را در پی دارد.

به دلیل کمبود منابع آب شیرین کشف راه های جدید تولید آب از اهمیت بالایی برخوردار است. یکی از روش های نوین تولید آب شیرین در ظرفیت های پایین، استفاده از رطوبت هوا است که به عنوان سیستم تولید آب چگالشی شناخته می شود. در این روش، جریان هوای گرم و مرطوب به درون لوله های مدفون در زمین هدایت می شود، هوا در طول لوله به دلیل انتقال حرارت با خاک به تدریج خنک شده و در دمایی کم تر از نقطه شبنم، بخار موجود در آن به صورت قطرات آب، روی سطح لوله ظاهر می گردد. در این پژوهش سیستم های تولید آب خوراکی با هدف به دست آوردن طول بهینه و ارزیابی پارامترهای موثر بر میزان آب تولید شده در سیستم های چگالشی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته اند. بدین منظور ابتدا معادلات حاکم بر مسئله، شرایط مرزی و اولیه آن برای یک سیستم تولید آب چگالشی نمونه، استخراج گردید و سپس با استفاده از روش حجم محدود، گسسته سازی آن تشریح می شود. در ادامه یک نمونه سیستم تولید آب خوراکی در نرم افزار متلب در یک شبانه روز مدل سازی می شود. نتایج عددی نشان می دهند، در لوله ا ی به قطر 2/0 متر، در عمق نیم متری زمین و طول پانزده متر که دمای هوای ورودی 70 درجه سانتی گراد و رطوبت نسبی 70 درصد است، تقریباً 2,1 کیلوگرم آب در روز استحصال خواهد شد. آنالیز حساسیت بر روی پارامترهای مختلف و جنس خاک نیز انجام شده است. نتایج آنالیز نشان می دهند که دمای هوا و رطوبت نسبی بیش ترین تأثیر را بر میزان آب تولید شده دارند و به ترتیب ماسه، شن، خاک مرطوب و خاک رس بیشترین آب را تولید می کنند. مدل سازی خنک کاری سیستم های چگالشی در طول شب نیز نشان دهنده آن است که خاک می تواند پس از 12 ساعت خنک کاری شبانه تقریباً به دمای اولیه روز قبل برسد.

چکیده ندارد.