بهینه‌سازی ابعاد هندسی فایرتیوب و هیت‌کویل گرمکن‌های ایستگاه‌های تقلیل فشار گاز

گاز طبیعی پر فشار خطوط انتقال پیش از ورود به شیر اختناق ایستگاه های دروازه شهری (cgs)، از گرمکن هایی عبور داده می شود که دمای آن را تا حد جبران اُفت دمای ناشی از اثر ژول تامسون افزایش دهد و از بروز پدیده هیدراته شدن گاز، یخ زدگی شیر و انسداد مسیر عبور گاز جلوگیری می نمایند. بهینه سازی این گرمکن ها با توجه به این که در مقیاس وسیع از گاز فرآوری شده شبکه تغذیه می کنند، از اهمیت بسزایی برخوردار است. در مطالعه حاضر هر یک از این گرمکن ها به نوعی ماشین ترمودینامیک مرکب از دو سیستم حرارتی متمایز از هم شبیه سازی شده است. تحلیل ترمودینامیک این دو سیستم با توجه به هندسه مساله و معادلات حاکم، به فرمولاسیون رابطه بین بازده حرارتی آنها و سپس تعریف پارامتری موسوم به ضریب تشابه ترمودینامیک انجامید. آنگاه نتایج حاصل از تحلیل حرارتی و تقریب زدن تابع پیچیده اصلی با دو تابع ساده تر مشخص نمود که همواره بین تفاضل مقادیر تعداد واحدهای تبادل حرارت (ntu) فایرتیوب و هیت کویل با ضریب تشابه ترمودینامیک گرمکن ها، رابطه لگاریتمی ثابت و بین نسبت مقادیر ntu آن دو با این ضریب نیز رابطه توانی ثابتی برقرار است. سرانجام با حل دستگاه معادلات به دست آمده از این دو رابطه، امکان تعیین مقادیر بهینه ntu برای فایرتیوب و هیت کویل به صورت توابعی از ضریب تشابه ترمودینامیک بهینه گرمکن ها و به تبع آن دستیابی به رابطه بین ابعاد هندسی بهینه آن دو در ایده آل ترین وضعیت انتقال حرارت، با بیشینه خطای نسبی حدود 13% فراهم شد.

Optimization of Geometric Dimensions of Fire Tube and Heat Coil Used in City Gate Stations Heaters

Prior to entering to the throttling valve of the City Gate Stations (CGS), highpressure natural gas flow in pipelines is transmitted through Water Bath Indirect Heaters (WBIH), which is increasing its temperature to compensate for the temperature drop caused by the JouleThomson effect and preventing the occurrence of the hydration phenomenon, gas freezing, and subsequent blockage of the gas flow path. Because of feeding of processed gas of the network on a large scale, optimizing the WBIHs has a lot of significance. In the present study, each WBIH is simulated by a type of thermodynamic machine, consisting of two distinct thermal systems. According to the problem geometry and governing equations, the thermodynamic analysis of these two systems results in the formulation of a relationship between their thermal efficiencies together and the definition of a parameter was defined as the Thermodynamic Similarity Coefficient (TSC). Then, the results showed that always, a constant logarithmic relationship exists between of the Number of Heat Transfer Units (NTU) values difference of the fire tube and heat coil of the WBIHs with their TSC as well as a constant power relationship between their NTU values ratio with this coefficient too. Finally, by solving the equation system obtained from these two relations, it was possible to determine the optimal values of NTU for the fire tube and heat coil as functions of TSC of the WBIH and to achieve the relationship between their optimum geometric dimensions together in the most ideal heat transfer state with a maximum relative error of about 13%.