یک مدل دو بعدی انتقال حرارت همراه فرآیند تغییر فاز مایع – جامد برای جریان داخل لوله توسط نرم افزار فلونت مورد تحلیل قرار گرفته است. در حالی که جداره لوله در دمایی پایین تر از دمای انجماد سیال قرار دارد. مدل هایی در شرایط گوناگون مرزی، هندسی و فیزیکی، از قبیل دماهای مختلف برای دیواره لوله، دماهای متفاوت برای سیال ورودی، سرعت های مختلف برای سیال ورودی، فشار ورودی سیال و همچنینی مدل سازی با سیالات مختلف، بررسی گردیده است. چنانکه انتظار می رود، از حل عددی استنتاج می شود که هرچه دمای دیواره، سرعت سیال ورودی و دمای ورودی سیال کمتر باشد، عمق نفوذ یخ و سرعت پیشروی یخ بیشتر خواهد بود. از اینرو و با حصول اطمینان از صحت کارکرد مدلسازی عددی، نتایج کاملا مورد تحلیل قرار گرفته اند. همچنین تفاوت دو شرط مرزی سرعت ورودی و فشار ورودی بررسی شده اند. در شرط ورودی فشار در عین ثابت بودن بقیه پارامترها، عمق نفوذ یخ بسیار بیشتر بوده و می تواند تا انسداد کامل در زمان نسبتا کوتاه ادامه پیدا کند. بعلاوه با استفاده از آنالیز ابعادی و بدست آوردن اعداد بدون بعد مناسب، تأثیر پارامترهای ذکر شده مورد بررسی قرار گرفته اند. این اعداد بدون بعد نسبت به میزان عمق نفوذ یخ در زمان مشخص و همچنین نسبت به زمان انسداد 40% سطح مقطع لوله، به صورت نمودارهایی رسم گردیده است. از روابط حاصل از این نمودارها، به خوبی می توان برای تخمین رفتار سیال در شرایط دیگر استفاده نمود. صحت عملکرد این روابط توسط مقایسه آن با حل عددی در شرایط دیگر تأیید شده است.

سیستم های ذخیره سازی انرژی سرمایشی بعنوان یک روش بسیار موثر در کاهش دیماند پیک بار مصرفی در پروژه ها مطرح بوده و پیک-سایی و اصلاح منحنی بار از خواص این سیستم ها می باشد. این سیستم ها با تولید و ذخیره سازی انرژی بصورت سرمایش در ساعات غیرپیک مصرف برق، باعث انتقال دیماند بار الکتریکی مورد نیاز تجهیزات از ساعات پیک به ساعات غیرپیک می شوند. انرژی سرمایشی ذخیره شده برای تأمین قسمتی و یا همه ی بار سرمایشی مورد نیاز در ساعات پیک مورد استفاده قرار می گیرد. لذا این سیستم ها یک روش مدیریتی در کنترل و تعدیل بین تولید و مصرف انرژی الکتریکی در ساعات پیک و غیرپیک می باشند. در این تحقیق بکارگیری سیستم های ذخیره سازی سرما در یخ و آب سرد، برای خنک کاری هوای ورودی کمپرسور توربین گازی نیروگاه قم و نیز تأمین بار سرمایش ساختمان اداری آن از نظر فنی و اقتصادی مورد بررسی قرار گرفته و در پایان تأثیر استفاده از این سیستم ها بر روی منحنی بار و ظرفیت تولید توربین ها ارزیابی می شود. انواع سیستم های ذخیره سازی سرما با تعریف سناریوهای مختلف به منظور خنک کاری هوای ورودی توربین های گازی طراحی و مشخصات اجزاء آن ها مشخص گردید و در انتها با توجه به هزینه های سرمایه گذاری اولیه و کارکرد و درآمدهای حاصل از افزایش توان تولیدی توربین ها در اثر خنک کاری هوای ورودی توسط سیستم های ذخیره سازی سرما، پروژه ها از نظر اقتصادی مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج حاصله نشان داد که در مقایسه حالات مختلف، بهینه ترین روش، کاهش دمای هوای ورودی تا 15 درجه سانتیگراد با استفاده از تکنولوژی ذخیره سازی یخ بر روی لوله در تانکی به حجم 1080مترمکعب که ظرفیت واحد تبرید آن برابر با kw 3110 (883 تن تبرید)، با استراتژی ذخیره سازی جزئی که دوره بازگشت سرمایه آن برای نرخ بهره 10% برابر 57/1 سال بدست آمد. برای این حالت افزایش توان خروجی توربین با سرمایش هوای ورودی برابر با mw 56/13 و یا بعبارتی برابر 4/14% ظرفیت تولید آن می باشد. علاوه بر این طرح، چهار طرح دیگر نیز بعنوان طرح هایی که دارای توجیح اقتصادی بالاتری بودند معرفی شدند. همچنین بمنطور جابجایی دیماند بار الکتریکی تجهیزات سرمایشی ساختمان اداری نیروگاه قم از ساعات پیک به ساعات غیر پیک، بار سرمایشی ساختمان با زیربنای کل 1475 مترمربع محاسبه شد که برای روز طراحی برابر 4/46 تن تبرید بدست آمد سپس از روی پرفیل بار ساختمان سیستم های ذخیره سازی سرمای مختلفی طراحی و تأثیر آنها بر جابجایی دیماند بار ساخنمان بررسی شد. حالت ذخیره سازی کامل با دوره بهره برداری 16 ساعته از تجهیزات سرمایشی در مقایسه با سایر طرح های مورد بررسی، بعنوان بهترین حالت بدست آمد. مشخصات فنی طرح عبارت بود از واحد تبرید با ظرفیت عملی 29 تن تبرید به همراه تانک ذخیره ای با ظرفیت ذخیره سازی 285 تن -ساعت با حجم 142 مترمکعب. این سیستم قادر به جابجایی 47% از بار سرمایشی روزانه از ساعات پیک به ساعات غیرپیک بود. جهت ارزیابی اقتصادی طرح، جبران اختلاف سرمایه گذاری اولیه این حالت با حالت سرمایش مستقیم بدون مخزن (واحد تبرید با ظرفیت 4/46 تن تبرید)، بواسطه مصرف انرژی ارزان تر در ساعات کم باری در حالت استفاده از سیستم سرمایش با مخزن ذخیره از روش دوره بازگشت سرمایه استفاده شد و دوره بازگشت سرمایه 2/2 ساله برای آن حاصل شد. در بررسی اثرات استفاده از سیستم های ذخیره سازی سرما بر روی منحنی بار و ظرفیت تولید توربین های گازی، کارائی این سیستم ها بعنوان ابزاری قدرتمند در مدیریت و کنترل تولید و تقاضای بار الکتریکی مشاهده گردید.

پمپ پیچی جریان چندفازی، یک پمپ جابجایی مثبت است که قادر به پمپاژ مخلوط گاز و مایع است. در این نوع پمپ، چرخش و تداخل رتورهای پیچی، چندین محفظه ایجاد می‏کند که به طور پیوسته از ناحیه مکش به سمت ناحیه تخلیه حرکت می‏کند. به دلیل این که این نوع پمپها با مخلوطهای مختلفی از گاز-مایع کار می‏کنند، محرک آنها دارای سرعت متغیر قابل کنترل بوده و معمولاً از مبدل گشتاور با کنترل الکترونیکی استفاده می‏شود. پمپهای پیچی چندفازی، هنگام کار تحت شرایط درصد حجمی گازی بالا کاهش شدیدی را در بازدهی حتی قطع عمل پمپاژ را تجربه می‏کنند. به علاوه، با مسائل ارتعاشاتی و حرارتی مواجه می‏شوند که می‏تواند منجر به صدمه دیدن قطعات داخلی پمپ و تعمیرات پرهزینه شود. تعداد اندکی مدل برای شبیه سازی کارایی پمپ پیچی تحت این شرایط وجود دارد. این پروژه از یک مدل تحلیلی استفاده می‏کند و راه حل های ممکن برای بهبود کارایی پمپ و جلوگیری از قطع عمل پمپاژ ارائه شده اند. پدیده مهم در این پمپها، وجود متناوب جریان های پسرو در لقی های سه گانه پمپ پیچی یعنی لقی های شعاعی، جانبی و محیطی می‏باشد. در این پروژه ضمن معرفی و بررسی مزایا و معایب انواع روشهای پمپاژ جریانهای چندفازی، تلاش بر این است که مدلی برای تراکم همدما و غیرهمدمای جریان گاز-مایع (به ویژه تحت شرایط درصد گازی بالا) در پمپهای پیچی ارائه گردد که قابلیت مدلسازی و شبیه سازی کارایی این نوع پمپها با gvf از 0 تا 99% را داشته باشد زیرا فرایندهای پتروشیمی و صنایع نفت و گاز دارای جریانهای چندفازی با gvf بسیار متنوع می‏باشد. بدین منظور از روابط ترمودینامیکی جهت بررسی تاثیر سه نوع جریان پسرو در کارایی پمپ استفاده می‏شود و جریانهای پسرو در هر دو فاز گاز و مایع درنظر گرفته خواهند شد. مدل هیدرودینامیکی و ترمودینامیکی با هم کوپل می‏شود تا توزیع دما و فشار در طول رتورهای پیچی را پیش بینی نماید. مدل جدید با مدلهای قبلی و نتایج تجربی مقایسه خواهد شد تا اعتبار آن ارزیابی شود. در پایان راه حلهای ممکن برای بهبود کارایی فرایند پمپاژ جریان چندفازی بررسی خواهد شد. بر اساس اثر ویسکوزیته مایع، راه حل جدیدی جهت بهبود بازدهی و قابلیت اطمینان پمپ در تحت gvf بالاتر از 94% بررسی می‏شود. ضمن بررسی راه حل های بهبود کارایی، یک راه حل جدید نیز معرفی می‏شود که عبارت است از تزریق مایع با ویسکوزیته بالا در محفظه مکش.

میزان مطالبات انرژی جهانی در طی سال های اخیر با رشد چشمگیری مواجه بوده است. طبق گزارش آژانس بین المللی انرژی، انتظار می رود که مصرف جهانی انرژی طی دهه های آینده تقریباً دو برابر مقدار کنونی آن شود. از اینرو یافتن تکنولوژی های مناسبی که میزان قدرت تولیدی و راندمان بالا، آلودکی کم و نیز هزینه سرمایه گذاری و تعمیر و نگهداری اندکی دارند، ضروری به نظر می رسد. در سال های اخیر، با توجه به تغییرات ایجاد شده در ساختار صنعت تولید برق، خصوصی سازی و همچنین اهمیت یافتن مسائل زیست محیطی، تکنولوژی تولید برق به سمت تولیدات پراکنده سوق داده شده و توسعه این صنعت به نتایج قابل توجهی در زمینه کاهش تلفات شبکه و هزینه های انتقال و افزایش قابلیت اعتماد منجر شده است. یکی از جدیدترین تکنولوژی های مورد استفاده در تولید پراکنده که در کاربردهای غیر صنعتی بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند، میکروتوربین ها هستند که علیرغم داشتن حجم و وزن کم، توانایی تولید قدرت نسبتاً بالایی دارند. سیکل میکروتوربین شامل یک کمپرسور هوا، رکوپراتور، محفظه احتراق و توربین گاز می باشد. در این پایان نامه، ابتدا هر یک از بخش های سیکل یک میکروتوربین با استفاده از قوانین ترمودینامیک مدلسازی می شود. سپس با استفاده از مفهوم انرژی و اگزرژی و نیز بکارگیری توابع اقتصادی و زیست محیطی، بهینه سازی چند هدفه یک نمونه میکروتوربین kw100 انجام شده است. پارامترهای طراحی نسبت فشار کمپرسور، راندمان آیزنتروپیک کمپرسور و توربین، دمای ورودی به محفظه احتراق و دمای ورودی به توربین گاز هستند. توابع هدف برای بهینه سازی در تحقیق حاضر به صورت مجموع هزینه کلی هر یک از تجهیزات، هزینه سرمایه گذاری اولیه و تعمیرات و نگهداری، و نیز هزینه اثرات آلاینده های زیست محیطی ناشی از احتراق سوخت های فسیلی نیروگاه (انتشار nox و co)، راندمان اگزرژی و هزینه تخریب آلاینده co2 بر حسب کیلوگرم بر کیلووات ساعت در نظر گرفته شده است. سپس بخش های مختلف توابع هدف برحسب متغیرهای طراحی بیان شده و مقادیر بهینه آن ها با کمینه نمودن تابع هدف هزینه، بیشینه کردن تابع هدف راندمان اگزرژی و کمینه کردن آخرین تابع هدف توسط الگوریتم ژنتیک بدست می آید. در ادامه، تخریب اگزرژی و راندمان اگزرژی در اجزای مختلف سیکل میکروتوربین ارائه می شود. در انتها نیز برای بدست آوردن درک شهودی از مسائل مطرح شده و به دلیل اهمیت قیمت سوخت، آنالیز حساسیت نتایج نسبت به هزینه سوخت و نرخ سود مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که در راندمان های اگزرژی بالاتر، حساسیت تابع هدف هزینه به قیمت سوخت بسیار بیشتر از راندمان های اگزرژی پایین تر است.

در این پایانامه، عملکرد سالیانه یک سیستم سرمایش خورشیدی بر پایه جذب سطحی مورد بررسی قرار گرفت. پس از مرور نمودن فناوری های موجود سرمایش خورشیدی، به بررسی چرخه های متداول ترمودینامیکی (چرخه ابتدایی، چرخه با بازیافت حرارت و چرخه با بازیافت جرم و حرارت) سیستم سرمایشی جذب سطحی با جفت های عامل سیلیکاژل/آب، زئولیت/آب و کربن فعال شده آب پرداخته شد و اثرات پارامترهایی چون دمای کندانسور، اواپراتور و احیاء بر روی ضریب عملکرد سیستم شناسایی گشت که نتایج نشان از کارایی بالاتر جفت سیلیکاژل/آب در دمای احیاء پایین (60-80?) و دمای کندانسور کمتر از 35? داشته است. در ادامه به منظور شبیه سازی عملکرد سالیانه سیستم سرمایش خورشیدی، پارامترهای هواشناسی مرتبط چون میزان تابش سراسری بر سطح افق، تابش مستقیم و پراکنده و تابش لحظه ای برای شهر تهران محاسبه و برای زوایای مختلف کلکتور، میزان تابش رسیده و زاویه بهینه برای بیشترین جذب حرارتی در ماه های مختلف محاسبه گشته است و سه زاویه 20، 35 و50 درجه برای نصب کلکتور در ماه های مختلف سال پیشنهاد گشت. برای مدل ساختمان، از یکی از ساختمان های دانشگاه صنعت آب و برق با اعمال برخی تغییرات استفاده شده و برای ساختمان مذکور، بارهای حرارتی و برودتی طراحی و میزان نیاز انرژی حرارتی بصورت ساعتی (8760 ساعت) محاسبه گشته است. در ادامه به طراحی سیستم سرمایش خورشیدی با هدف قرار دادن کاهشی معین (47%) در مصرف انرژی اولیه ساختمان پرداخته و برای دستیابی به این منظور میزان کسر خورشیدی و مساحت کلکتور مورد نیاز صفحه تخت بدست آمده است که نتایج حاکی از صرفه جویی kwh/year 49231 با استفاده از m2100 کلکتور صفحه تخت و کسر خورشیدی میانگین سالیانه 62% داشته است. همچنین دمای نقاط مختلف چرخه خورشیدی همچون دمای سیال خروجی از کلکتور، خروج از مبدل حرارتی و بالای و پایین منبع ذخیره برای دو نوع کلکتور صفحه تخت و لوله خلائی بررسی گشت که نتایج نشان از عملکرد مناسب کلکتور صفحه تخت برای تحریک سیستم سرمایشی جذب سطحی داشته است. در نهایت به بررسی اقتصادی طرح پرداخته و نشان دادیم ارزش آتی هزینه برای طرح خورشیدی، پس از حدود 10 سال با طرح سرمایش سنتی (تراکمی) برابر و دوره بازگشت سرمایه حدود 13 سال خواهد گشت.

عملکرد ایرودینامیکی توربین باد نقش مهمی در ضریب قدرت آن دارد. این در حالی است که توجیه اقتصادی و سادگی ساخت به همان اندازه حائز اهمیت هستند. در اینجا با استفاده از تئوری نواری (bem) و روابط تجربی گلوئرت یک برنامه کامپیوتری استخراج شد. با استفاده از این برنامه کامپیوتری اثر پارامترهای سینماتیکی و هندسی روتور روی عملکرد توربین باد مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. شایان ذکر است برای این منظور دو پارامتر ضریب قدرت محلی(یعنی سهم هر المان از ضریب قدرت کل) و بازده ی المانی تعریف شد. در نتیجه ناحیه ای از پره که بیشترین سهم را از ضریب قدرت کل دارد تعیین گردید. بعلاوه یک روش تحلیلی به منظور تعیین بازده ی مجاز تغییرات زاویه ی پیچ برای سرعت های نوک مختلف ارائه گردید. در واقع حد بالا و پائین زاویه ی پیچ برای شرایط عملکردی مختلف توربین باد تعیین شد. همچنین رابطه ضریب قدرت تجربی ویلسون به منظور بررسی اثر نسبت ضریب لیفت به درگ و تعداد پره روی ضریب قدرت مورد تحلیل قرار گرفت. به منظور انجام این تحلیل کد الگوریتم ژنتیک در محیط نرم افزار متلب نوشته شد. نتایج حاصل از این تحلیل با نتایج حل دقیق صحت سنجی گردید و تحلیل به شرایط دیگر بسط داده شد و نتایج قابل ملاحظه-ای در خصوص حد بالای نسبت ضریب لیفت به درگ و نسبت سرعت نوک متناظر با آن برای ماکزیمم شدن ضریب قدرت بدست آمد. هدف اصلی از تحلیل ایرودینامیکی در اینجا بدست آوردن ضریب قدرت برای شرایط عملکردی مختلف می-باشد. پس از نائل شدن به این امر در واقع قدرت خروجی توربین باد به صورت یک برنامه کامپیوتری در دسترس می باشد. حال با داشتن قدرت خروجی می توان تحلیل اکسرژی را انجام داد. به منظور تحلیل اکسرژی نیاز به دانستن تغییرات دما و سرعت باد در صفحه روتور می باشد. برای حل این مسئله توربین باد در نرم افزار فلوئنت به صورت دو بعدی و سه بعدی مدل گردید. در نهایت کد برنامه نویسی بدست آمد که توسط آن اثر پارامترهای مختلف روی بازده ی انرژی و اکسرژی توربین باد مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. در آخر با در دست داشتن داده های سرعت باد در هر ده دقیقه در طول یک سال، الگوریتمی استخراج شد که ضریب قدرت ،بازده ی انرژی و اکسرژی توربین باد را در طول یک سال بدست می آورد. نتایج حاصل از این الگوریتم بینش خوبی درخصوص پتانسیل بادی ناحیه در ماه های مختلف سال و بویژه در استفاده از سیستم های ترکیبی در اختیار ما قرار می دهد.

یکی از موارد تعیین کننده در کارکرد پمپ سانتریفوژ ضریب لغزش می باشد. به نظر می رسد که در اختیار داشتن یک مدل برای تقریب این ضریب که حداقل بتواند یک دید کلی در باره حدود آن بدست دهد؛ منجر به طراحی و تحلیل بهتری برای پمپ ها بشود. در کار پیش رو، ابتدا سعی شد با در نظر گرفتن مشخصات دلخواه به گونه ای که سرعت مخصوص پایین به دست آید، هندسه ای برای چرخ و ولوت طراحی شود. طراحی صورت گرفته با نتایج حاصل از نرم افزار cfturbo نیز سنجیده شد و انطباق خوبی داشت. سپس سعی شد با فرض حاکم بودن مفهوم جریان پتانسیل دو بعدی بین پره های پمپ، و بیان جریان به صورت جمع آثار دو جریان گردابی و یکنواخت، رژیم جریان بین پره ها بدست آید. به این منظور معادله پواسون برای جریان گردابی و معادله لاپلاس برای جریان یکنواحت به صورت عددی در محدوده بین دو پره حل شد. تعبیر فیزیکی جریان یکنواخت به صورت یک کانال ساکن و جریان گردابی به صورت یک محفظه دوار قابل بیان است. به دلیل خطی بودن معادلات حاکم این دو حل با هم جمع شد و پس از بدست آمدن میدان سرعت، ضریب لغزش برای این میدان سرعت سنجیده شد. نتایج بدست آمده از این تحلیل با نتایج حاصل از روابط موجود همخوانی خوبی را نشان داد. برای بررسی پارامترهای موثر؛ با تغییر تعداد پره، دبی و سرعت دورانی تغییرات ضریب لغزش مورد بررسی قرار گرفت. مشاهده شد که با افزایش تعداد پره، افزایش دبی و کاهش سرعت دورانی، ضریب لغزش افزایش می یابد و بالعکس. در ادامه به منظور بررسی میزان نزدیکی این نتایج به واقعیت، هندسه موجود به روش cfd نیز مورد تحلیل قرار گرفت، این تحلیل به دو صورت چرخ منفرد و چرخ همراه با ولوت انجام شد. ضریب لغزش در این روش با سنجیدن اختلاف فشار ورودی و خروجی (هد) بدست آمد و نتایج حاصل از این تحلیل نیز نزدیکی قابل قبولی با نتایج به دست آمده در مراحل قبلی نشان داد. در نتیجه به نظر می رسد استفاده از تحلیل جریان پتانسیل برای بررسی تخمینی جریان درون پمپ ها به طور عام و همچنین بررسی ضریب لغزش به طور خاص، مناسب باشد. سهولت حل عددی جریان پتانسیل با روش های عددی و همچنین عدم نیاز به منابع محاسباتی سنگین و یا کارهای آزمایشگاهی هزینه بر از مزایای این روش است.