2-1- شیمی انحلال طلا. 6
2-2-لیچینگ طلا با حلال‌های مختلف.. 11
2-3-سیانوراسیون. 14
2-4- عوامل مؤثر بر سیانوراسیون. 16
2-5-مکانیزم سیانوراسیون. 22
2-7-بررسی و ارزیابی تحقیقات مرتبط.. 24
3-1-مواد و تجهیزات.. 28
3-2-غربالگری متغیرها 29
3-3-بهینه سازی پارامترهای عملیاتی. 30
3-1-1-روش انجام آزمایش‌های سیانوراسیون جهت تعیین غلظت سیانور مناسب.. 30
3-1-2-روش آزمایش‌های  سیانوراسیون جهت تعیین دانه‌بندی مناسب.. 30
3-1-3-آزمایش سیانوراسیون جهت بررسی تأثیر زمان در بازیابی. 31
3-1-4-آزمایش‌های سیانوراسیون جهت تعیین درصد جامد مناسب پالپ.. 31
3-1-5-آزمایش‌های سیانوراسیون جهت تعیین PH مناسب.. 31
4-1-آنالیز ابعادی و خردایش… 33
4-2-نتایج زمان لازم خردایش (آسیا کردن ) 34
4-3-سیانوراسیون اولیه 34
4-4-بهینه سازی پارامترهای عملیاتی. 36
4-4-1-تعیین سیانور بهینه 36
4-5-نتایج بررسی تأثیر زمان در بازیابی. 40
4-6-نتایج مربوط به تعیین دانه‌بندی مناسب.. 42
4-7-تعیین PH بهینه 45
نتیجه گیری. 49
پیشنهادها: 50
منابع و مناخذ: 51
پیوست: 55
1-1- مقدمه
تقاضای جهانی برای فلزات مدام در حال افزایش است. اما اکتشافات جدید کانسارهای فلزی کاهش‌یافته و عیار این کانسارها کمتر شده و پیچیدگی آن‌ ها افزایش یافته است. بنابراین روش‌های فرآوری برای کانه های کم عیار و کنسانتره های باکیفیت پایین تنها به روش‌هایی محدود می‌شوند که در عمل اقتصادی باشند [1-2].
طلا یکی از فلزاتی است که به علت کمیابی آن در طبیعت و پایداری جلای فلزی از اهمیت بالایی برخوردار است. این فلز در طبیعت بیشتر به صورت آزاد و در مقادیر بسیار کم یافت می‌شود. تاریخچه استحصال فلز طلا به پیش از 147000سال پیش بر می‌گردد[3].
اولین روشی که برای استحصال به‌کار گرفته شد، روش ثقلی بود که در استخراج طلا از ذخایر رسوبی و ماسه‌های رودخانه‌ای به‌کار گرفته شد. در این روش طلا به خاطر وزن مخصوص بالای آن به راحتی از باطله‌ی همراه آن جدا می­شد. با توجه به این که این روش بازیابی بالایی نداشت، لذا روش‌های مختلف انحلال طلا مورد بررسی قرار گرفت[3].
هیدرومتالورژی طلا، یا روش‌های انحلال، برای هر دو نوع ذخایر رسوبی و غیر رسوبی قابل‌استفاده می­باشد.
در این روش طلا به صورت انتخابی از سایر ترکیبات همراه آن به وسیله روش انحلال جدا می­ شود. روش‌های متعددی برای انحلال طلا وجود دارد. قدیمی‌ترین این روش­ها، روش ملغمه سازی است که امروزه استفاده از آن منسوخ گردیده است [4].
طلا یا زر عنصری است که در تناوب ششم و گروهLb  (همراه مس و نقره) فلزات واسطه در جدول تناوبـی قرار دارد. طـلای خالص فلـزی با رنگ زرد بـراق، عدد اتـمی 79، جرم اتمی 2/179، چگالی g/cm3 32/19 در k273، دارای ساختار FCC می­باشد. طلا فلزی بسیار نرم و چکش‏خوار بوده و دارای عدد سختی Kg/mm2  95 -40 در مقیاس ویکرز می‏باشد. نقطه ذوب و جوش آن به ترتیب C°1064 و  C° 2808 بوده و رسانایی الکتریکی و گرمایی فوق‏العاده زیادی دارد[5].
طلا نجیب‌ترین فلز موجود در جهان است. از زمان باستان، این فلز به عنوان شاه فلزات شناخته شده است. این فلز به خاطر ، شفافیت بالا، نرمی و پایداری در هوا، نسبت به سایر فلزات از اهمیت زیادی برخوردار است. امروزه نیز این فلز به خاطر کمیاب بودن آن از ارزش بالایی برخوردار می­باشد. جلای فلزی و همچنین خواص هدایتی بالایی دارد که منجر به استفاده از آن درصنایع جدید در دهه‌ های اخیر شده است. از آنجایی كه طلای خالص بسیار نرم است آن را با فلزات دیگر به صورت آلیاژ در می‌آورند. استفاده از طلا در جواهرسازی، ضرب مسكوكات و علوم و فنون مختلف دامنه روزافزونی پیدا كرده است. بیشتر طلاهایی كه تا كنون در سراسر دنیا استخراج گردیده در خزانه‌های دولتی و بانک‌های بزرگ به منظور موازنه پرداخته‌ای تجاری با كشورهای خارجی نگهداری می‌شود[18].
طلا فلزی است که در طبیعت به صورت آزاد یافت می‌شود و تنها ترکیبات طلا که در طبیعت وجود دارند تلوریدها و استیبنیت‌ها (AuSb2 و AuTe2) هستند. فلز طلا معمولاً به همراه کوارتز و پیریت  و به صورت رگه‌های رسوبی و پلاسری یافت می‌شوند. طلا تنها فلزی است که در هوا و آب به وسیله اکسیژن و یا گوگرد اکسید نمی‌شود.
ذخایر طلا می‌توانند پلاسری باشند که در این صورت طلا بدون نیاز به خردایش و توسط جداکننده‌های ثقلی و با توجه به وزن مخصوص بالای آن قابل‌استخراج است. در صورتی که کانی‌های در برگیرنده طلا به صورت اکسیدی باشند با چند مرحله خردایش و عملیات لیچینگ طلا قابل بازیابی می‌گردد. روش سیانوراسیون بیش از یک قرن به عنوان بهترین روش برای انحلال طلا به‌کار گرفته شده است. علیرغم مزایای بسیار زیاد این روش، با توجه به مشکلات زیست‌محیطی آن، امروزه تحقیقات زیادی بر روی یافتن جایگزینی برای این روش انجام می‌گیرد[8].
هر کدام از این روش­های فوق مشکلات خاص مربوط به خود را داشته و لذا در صنعت به طور کامل مورد پذیرش واقع نشده ­اند. از جمله مشکلاتی که این روش­ها با آن روبرو هستند می­توان به هزینه بالای این روش­ها و نیز محدود بودن کاربرد آن‌ ها به چند نوع کانه خاص اشاره کرد.
با توجه به زیان­های زیست محیطی سیانور و هزینه­ آن، در این پروژه، میزان سیانور و عوامل موثر بر آن برای برای رسیدن به بازیابی حداکثر بهینه شد.
نمونه مورد استفاده در این تحقیق کنسانتره اکسیدی سرب و روی شرکت دل آسا واقع در شهرستان سراب (آذربایجان شرقی) می‌باشد؛ که جهت بهینه‌سازی پارامترهای عملیاتی لیچینگ طلا از این کنسانتره جهت رسیدن به بالاترین بازیابی طلا استفاده شد.
2-1- شیمی انحلال طلا
انحلال طلا در محلول‌های آبی ترکیبی از فرایندهای اُکسایش و کمپلکس سازی است. در حضور لیگاندهای تشکیل‌دهنده کمپلکس، کاتیون‌های طلای یک و سه ظرفیتی تشکیل کمپلکس‌های پایدار می‌دهند و یا به وسیله آب به طلای فلزی احیاء می‌شوند [4].
همچنین اغلب لازم است که برای تنظیم pH،  مقداری که برای انحلال طلا مورد نیاز است از اسید یا باز استفاده شود .از دیدگاه الکتروشیمی، انحلال مواد فلزی جامد، یک فرایند الکتروشیمیایی است که شامل واکنش‌های آندی (اکسیدکننده) و کاتدی (کاهنده) به صورت جداگانه می‌باشند[9]. برای انحلال طلا در واکنش‌های آبی، فرایند آندی، شامل اُکسایش طلا بر طبق واکنش‌های (2-1) و (2-2) است:

                                E0 489/1=                                           (2‑2)
‏0 E0پتانسیل احیاء استاندارد با واحد ولت می‌باشد. فرایند کاتدی که به طور همزمان با واکنش‌های بالا اتفاق می‌افتد شامل احیاء یک اکسیدکننده مناسب است. همان طور که از پتانسیل احیاء معادلات (2-1) و (2-2) مشاهده می‌شود در غیاب لیگاندهای کمپلکس کننده، یون‌های یک و سه ظرفیتی طلا از لحاظ ترمودینامیکی تحت تمامی شرایط پتانسیلی و pH ناپایدار هستند.
در این پتانسیل‌های بالا، هر دوی یون‌های یک و سه ظرفیتی طلا با اُکسایش آب به اکسیژن، طی واکنش  (2-3) به طور خودبه خودی  به فلز طلا احیاء می‌شوند.

 

299/1=E

 (2‑3)
این بدین معنی است که طلا نمی‌تواند در محلول‌های آبی در غیاب لیگاندهای تشکیل‌دهنده کمپلکس اکسید شود. هر چند که پایداری یون‌های طلا می‌تواند در حضور لیگاندهای مناسب نظیر یون‌های سیانید، کلرید و تیوسولفات، با تشکیل کمپلکس‌های پایدار افزایش یابد.

 

 (2‑4)

‏0(2‑5)
که در آن L یک لیگاند تشکیل‌دهنده کمپلکس است. ثابت‌های پایداری، β2 و  β4 برای Au+ و Au3+ می‌توانند به صورت معادلات زیر باشند.
انحلال طلا در محلول‌های آبی ترکیبی از فرایندهای اُکسایش و کمپلکس سازی است. در حضور لیگاندهای تشکیل‌دهنده کمپلکس، کاتیون‌های طلای یک و سه ظرفیتی تشکیل کمپلکس‌های پایدار می‌دهند و یا به وسیله آب به طلای فلزی احیاء می‌شوند [4].
همچنین اغلب لازم است که برای تنظیم pH،  مقداری که برای انحلال طلا مورد نیاز است از اسید یا باز استفاده شود .از دیدگاه الکتروشیمی، انحلال مواد فلزی جامد، یک فرایند الکتروشیمیایی است که شامل واکنش‌های آندی (اکسیدکننده)  و کاتدی  (کاهنده) به صورت جداگانه می‌باشند[9]. برای انحلال طلا در واکنش‌های آبی، فرایند آندی، شامل اُکسایش طلا بر طبق واکنش‌های (2-1) و (2-2) است:

(2‑6)                                                                 v 691/1=E0

 

498 /1=E

‏0(2‑7)
  E0پتانسیل احیاء استاندارد با واحد ولت می‌باشد.  فرایند کاتدی که به طور همزمان با واکنش‌های بالا اتفاق می‌افتد شامل احیاء یک اکسیدکننده مناسب است. همان طور که از پتانسیل احیاء معادلات (2-1) و (2-2) مشاهده می‌شود در غیاب لیگاندهای کمپلکس کننده، یون‌های یک و سه ظرفیتی طلا از لحاظ ترمودینامیکی تحت تمامی شرایط پتانسیلی و pH ناپایدار هستند.
در این پتانسیل‌های بالا، هر دوی یون‌های یک و سه ظرفیتی طلا با اُکسایش آب به اکسیژن، طی واکنش  (2-3) به طور خودبه­خودی  به فلز طلا احیاء می‌شوند.

 

299/1=E0

‏0(2‑8)
این بدین معنی است که طلا نمی‌تواند در محلول‌های آبی در غیاب لیگاندهای تشکیل‌دهنده کمپلکس اکسید شود. هر چند که پایداری یون‌های طلا می‌تواند در حضور لیگاندهای مناسب نظیر یون‌های سیانید، کلرید و تیوسولفات، با تشکیل کمپلکس‌های پایدار افزایش یابد.

 (2‑9) 

‏0(2‑10)
که در آن L یک لیگاند تشکیل‌دهنده کمپلکس است. ثابت‌های پایداری، β2 و  β4 برای Au+ و Au3+ می‌توانند به صورت معادلات زیر باشند.

‏0(2‑11)

‏0(2‑12)
با ترکیب معادلات (2-1) و (2-4)، معادله (2-8) به دست می‌آید. پتانسیل احیاء استاندارد در دمای 25 درجه سانتی‌گراد به وسیله‌ی معادله (2-9) بر طبق معادله نرنست به صورت زیر است.

 (2‑13)

‏0(2‑14)

فصل اول – مقدمه 1-1 مقدمه

 

2 1-2 اهمیت بکار گیری انرژی های پاک و تجدید پذیر در ایران

 

2 1-3 طرح کلی نیروگاه دریافت کننده مرکزی

 

3 1-4 مروری بر کارهای گذشته

 

4 1-4-1 مروری بر کارهای گذشته در زمینه زوایای بهینه پنل های خورشیدی

 

8 1-5 بیان اهداف

 

9 فصل دوم – بیشینه کردن انرژی در کلکتورهای خورشیدی 2-1 مقدمه

 

11 2-2 مباحث لازم از انرژی خورشیدی

 

11 2-3 محاسبه شدت تشعشع کل دریافتی روی یک سطح

 

13 2-4 الگوریتم ژنتیک

 

18 2-5 داده های استفاده شده در مدل های تشعشعی

 

19 2-6 نتایج

 

21 2-6-1 مقادیر بدست آمده برای زوایای بهینه

 

21 2-6-2 بررسی کمی زوایای شیب بهینه

 

25 2-6-3 بررسی بیشینه انرژی بدست آمده بر روی سطح شیبدار با بهره گرفتن از زاویه شیب بهینه

 

27 2-6-4 ارائه مدل برای محاسبه زوایای بهینه ماهیانه، فصلی و سالیانه در ایران

 

32 2-6-5 بررسی زوایای بهینه ساعتی و انرژی رسیده در این حالت

 

34 2-6-6 بررسی زاویه بهینه در کلکتورهای خورشیدی و پانل های فوتوولتائیک

 

36 فصل سوم – نیروگاه های گرمایی – خورشیدی 3-1 مقدمه

 

40 3-2 معرفی اجمالی نیروگاه های گرمایی – خورشیدی

 

40 3- 2- 1 نیروگاه سهموی با  تمرکز خطی

 

41 3-2-2 نیروگاه سهموی با  تمرکز نقطه ای

 

41 3-2-3 نیروگاه دریافت کننده مرکزی یا برج توان خورشیدی

 

41 3-3 اجزا مختلف یک نیروگاه دریافت کننده مرکزی

 

43 3-3-1 هلیواستات‌ها

 

43 3-3-2 میدان هلیواستات

 

46 3-3-3 اثر زاویه‌ای یا كسینوسی

 

47 3-3-4 اثر سایه

 

48 3-3-5 اثر انسداد

 

49 3-3-6 پراکندگی جوی یا تضعیف شدن

 

50 3-3-7 اثر منعکس کننده

 

50 3-3-8 كنترل هلیواستات‌ها

 

50 3-3-9 دریافت‌كننده

 

52 3-3-10 سیال حامل حرارت

 

53 3-3-11 سیستم ذخیره حرارتی

 

54 3-4 دلایل مفید بودن نیروگاه های خورشیدی در ایران

 

55 3-5 چشم‌انداز آینده

 

55 فصل چهارم – طراحی نیروگاه دریافت کننده مرکزی 4-1 مقدمه

 

57 4-2  محاسبه زوایای مشخصه هلیواستات ها

 

57 4-3 مراحل طراحی میدان هلیواستات در یک نیروگاه دریافت کننده مرکزی

 

60 4-3-1 یافتن مکان هلیواستات ها در یک نیروگاه دریافت کننده مرکزی

 

61 4-3-2  یافتن ضریب انسداد

 

62 4-3-3  پیداکردن بازده هلیواستات ها

 

67 4-3- 4 پیداکردن شار حرارتی تولیدی توسط میدان هلیواستات ها برروی دریافت کننده مرکزی

 

68 فصل پنجم – نتایج حاصل از طراحی نیروگاه دریافت کننده مرکزی 5-1 مقدمه

 

71 5-2 بررسی زوایای شیب و سمت الرأس هلیواستات ها در هر لحظه و هر مکان

 

71 5-3  طراحی چیدمان هلیواستات ها در میدان یک نیروگاه دریافت کننده مرکزی

 

75 5-3-1 بررسی صحت کد نوشته شده در این پایان نامه

 

76 5-3-2 طراحی میدان هلیواستات برای شهر کرمان

 

80 5-3-3 طراحی میدان برای نیروگاهی با توان ثابت

 

81 5-3-4 بررسی تأثیر پارامترهای موثر بر بازده میدان

 

85 5-4 بهینه سازی میدان هلیواستات با بهره گرفتن از الگوریتم ژنتیک

 

86 5-5 نتیجه گیری

 

91 5-6 پیشنهادات

 

93 فهرست منابع

 

94

 

 

مقدمه
در این فصل ابتدا به لزوم بکار گیری انرژی های تجدید پذیر با توجه به شرایط کشورمان ایران می پردازیم. سپس طرح کلی یک نیروگاه دریافت کننده مرکزی معرفی خواهد شد. در ادامه به معرفی کارهای تحقیقی و اجرایی گذشته می پردازیم و در انتها اهداف این پروژه معرفی خواهد شد.
1-2 اهمیت بکار گیری انرژی های پاک و تجدید پذیر در ایران
نور خورشید باعث رشد همه ی گیاهان شده و آب تازه برای گیاهان وبقای انسان تولید می کند. بعلاوه به عنوان منبع گرمازا در زندگی مردم هزاره اول مؤثر بوده و آزمایشات جدی برای استفاده از آن برای تولید انرژی، در قرن هجدهم شروع شد که رایج ترین کاربرد آن گرم کردن منازل می باشد. شار حرارتی در مناطق مختلف زمین بسته به موقعیت جغرافیایی، شرایط آب و هوایی منطقه، ساعات آفتابی و … مقادیر مختلفی می باشد. در حال حاضر حدود 90%  الکتریسیته تولیدی در کشور توسط نیروگاه های سوخت فسیلی تامین می شود. سهم بسیار بزرگ سوخت های فسیلی در تولید توان الکتریکی در ایران عامل بروز مشکلاتی از جمله آلودگی محیط زیست و همچنین کاهش ظرفیت صادرات نفت و گاز کشور شده است. از طرفی افزایش مصرف انرژی جهان در سال های آتی ناشی از افزایش رشد جمعیت ، میل به رفاه و افزایش تولید ناخالص سرانه در جهان است که پیش بینی می شود تا سال 2020 به حدود 7000دلار یعنی تقریبا 75% بیش از سال 1890 باشد.  انتظار می رود با مصرف این میزان انرژی، میزان انتشار دی اکسید کربن از 9/5 گیگا تن در سال 1890 به 4/8 گیگاتن در سال 2020 برسد. گازهای آلاینده دیگر را باید به این میزان اضافه کرد. مطالعات و تجربیات نشان می دهد که دو راه حل اصلی برای تعدیل این مشکل وجود دارد:

1. افزایش بازده و صرفه جویی در مصرف انرژی
2. افزایش سهم انرژی های تجدید پذیر در ترکیب انرژی جهان

یادآوری این نکته بسیار مهم است که استفاده از انرژی های تجدید پذیر در مقایسه با سوخت های فسیلی هر چند از هزینه بهره برداری بسیار اندک برخوردار است، لکن هزینه سرمایه گذاری بسیار بالاتر  و حتی چندین برابر خواهد داشت. همین موانع سبب شده که در حال حاضر سهم انرژی های نو کمتر از 2% و در 2020 حدود 4% از کل انرژی مصرفی جهان پیش بینی شود.  با توجه به این گونه مشکلات و همچنین رو به اتمام بودن منابع سوخت های فسیلی، اهمیت و لزوم کار سازمان یافته جهت جایگزین نمودن منابع انرژی پاک و تجدید پذیر، مشخص می گردد. یکی از منابع تجدید پذیر و در عین حال در دسترس با ظرفیت بالا در ایران انرژی خورشیدی می باشد. در نیروگاه های گرمایی –  خورشیدی، تابش خورشیدی به انرژی گرمایی تبدیل می شود تا با بهره گرفتن از آن، بخار آب مورد نیاز برای به حرکت در آوردن توربین ها تولید شود که به روش تبدیل الکتریکی- حرارتی موسوم است. نیروگاه های خورشیدی دریافت کننده مرکزی از مهمترین انواع نیروگا ه های گرمایی – خورشیدی هستند که به دلیل امکان رسیدن به دماهای بالا و بازده حرارتی خوب، مورد توجه قرار گرفته اند که در ادامه به توضیح مختصری در مورد این نیروگاه می پردازیم. شکل 1-1 نمونه ای از یک نیروگاه به همراه چندین برج دریافت کننده را نشان می دهد که در حال ساخت در کشور استرالیا می باشد وقرار است تا سال 2013 بهره برداری شود.

شکل 1-1 نمونه ای از یک نیروگاه دریافت کننده مرکزی با چندین برج [1]

1-3 طرح کلی نیروگاه دریافت کننده مرکزی
طرح کلی نیروگاه دریافت کننده مرکزی[1]  که به آن برج توان[2] خورشیدی نیز گفته می شود، به این صورت می باشد که میدان بزرگی از آینه ها که به نام هلیواستات[3]  معروفند، تابش مستقیم خورشید را به سمت یک دریافت کننده که در بالای یک برج بلند قرار دارد منعکس می کنند. در واقع میدان هلیواستات در حکم یک جمع کننده است که تابش مستقیم نور خورشید را به سمت یک دریافت کننده متمرکز می کند. بخشی از دریافت کننده به نام جاذب که دارای ضریب جذب بسیار بالاست، انرژی تابشی را جذب و به حرارت تبدیل می کند. این سیال یا می تواند مستقیما وارد یک سیکل تولید توان شود و یا از طریق یک مبدل حرارتی انرژی خود را به سیال عامل تحویل دهد. سیکل تولید توان نیروگاه می تواند سیکل رانکین با سیال عامل آب باشد و حتی در طرح های جدیدتر می توان از سیکل توربین گازی برایتون یا از سیکل ترکیبی استفاده نمود [2]. شکل 1-2 نمودار ساده ای از نیروگاه دریافت کننده مرکزی همراه با سیکل ترکیبی را نشان می دهد.

شکل 1-2 نمودار ساده ای  از نیروگاه دریافت کننده مرکزی [3]

1-4 مروری بر کارهای گذشته
نیروگاه های گرمایی- خورشیدی با فناوری تمرکز نوری در آینده نقش مهمی در تولید برق با بهره گرفتن از انرژی های تجدیدپذیر بر عهده خواهند داشت ولی هم اکنون تعداد آنها در مقایسه با نیروگاه های سوخت فسیلی کم می باشد [4]. انرژی خورشید در سطح زمین بسیار گسترده است ولی به دلیل دمای پایین تولید کار از آن مشکل می باشد [5]، به همین علت در نیروگاه های حرارتی- خورشیدی برای افزایش دما از فناوری تمرکز نوری استفاده می کنند. متمرکز کردن انرژی خورشید، ابتدا برای مصارف انرژی در مقیاس کوچک 100 وعموماً برای پمپ های آب استفاده می شد. ایده نیروگاه دریافت کننده مرکزی ابتدا در سال 1956 توسط یک دانشمند روس به نام باوم [6] مطرح شد. طرح پیشنهادی او به این صورت بود که تعداد 1300 آینه که بر روی واگن های کوچکی قرار داشتند، نور را بر روی یک دیگ متمرکز می کردند. واگن های کوچک، قادر بودند بر روی چند ریل منحنی شکل در اطراف دیگ حرکت کنند. طبق محاسبات باوم، این مجموعه در هر ساعت قادر به تولید 11 تا 13 تن بخار در فشار 30 اتمسفر و دمای 400 بود [6].
اولین کار اجرایی در این زمینه در سال 1965 توسط فرانسیا در شهر سان ایلاریو ایتالیا انجام گرفت. در این کار مساحت کل آینه های بکار رفته 52 بود. آینه ها به شکل دایره بوده و به صورت مکانیکی باهم ارتباط داشتند. عمل رد گیری خورشید نیز به صورت مکانیکی انجام می گرفت[2].
 در سال 1976 یک طراحی مهندسی نسبتاً جامع از یک نیروگاه دریافت کننده مرکزی، توسط ونت هول و هیلدبرند [7] ارائه شد. در طرح آن ها تا 500 تولید توان الکتریکی پیش بینی شده بود. آن ها برای مدل سازی بخش نوری یا گردآور نیروگاه، یک مدل کامپیوتری ارائه کردند. براوردهای اقتصادی آنان قابل رقابت بودن چنین نیروگاهی با نیروگاه های سوخت فسیلی را نشان می داد [5]. در همین سال ریاز [8] هلیواستات های واقع بر روی یک نیم دایره به مرکز پای برج را بررسی کرد. او دو زاویه شیب و سمت را به صورت تابعی از وقت روز و موقعیت هلیواستات روی نیم دایره برای یک عرض جغرافیایی خاص و یک روز خاص از سال بدست آورد [8].
در1977 لیپز و ونت هول [9] روشی برای بهینه سازی یک سیستم دریافت کننده مرکزی ارائه کردند. در این روش، میدان هلیواستات به تعدادی واحد یا سلول تقسیم می شود که هر سلول مجموعه ای از چندین هلیواستات است. به منظور سادگی، برخی از پارامتر های میدان (مثلاً فاصله هلیواستات ها از یکدیگر) برای هر سلول ثابت در نظر گرفته شد. این فرض باعث کمتر شدن حجم محاسبات گردید. لیپز و ونت هول چند نوع آرایش را برای میدان هلیواستات مورد بررسی قرار داده و به این نتیجه رسیدند که آرایش یک در میان[4] عملکرد بهتری نسبت به دیگر آرایش ها خواهد داشت [9].
پس از بحران انرژی در سال 1973 طرح های استفاده از انرژی خورشیدی در مقادیر زیاد رو به افزایش نهاد. نیروگاه 750 یورولیوس در ایتالیا در سال 1981 با هزینه 2/8 میلیون دلار اولین نیروگاه دریافت کننده مرکزی متصل به شبکه بود. بازده خورشیدی به الکتریکی آن 1/8% با سیال عامل آب بود که به حداکثر دمای 512 می رسید. از دیگر نیروگاه های ساخته شده می توان به نیروگاه 10 سولاروان[5] در سال 1982 در آمریکا با بازده خورشیدی به الکتریکی 7/8%  و هزینه 141 میلیون دلار اشاره کرد.  این نیروگاه که با بهره گرفتن از بخار به عنوان سیال حامل حرارت فعال بود، بازسازی شد و نوع سیستم دریافت کننده آن به نمک مذاب تغییر یافت و در آن از یک سیستم ذخیره حرارتی با دو منبع نمک مذاب استفاده شد و پس از آن به نام سولار تو  تغییر نام یافت [2]. شکل 1-3  نماهایی از این نیروگاه را نشان می دهد.

 

شکل 1-3 نماهایی از نیروگاه سولارتو در امریکا [10]

در 1989 کولادو و تورگانو [11] روشی برای محاسبه انرژی سالانه تأمین شده توسط یک میدان هلیواستات ارائه کردند. در روش پیشنهادی آن ها مقدار انرژی با انتگرال گیری از حاصل ضرب دو تابع پیوسته روی میدان بدست می آمد. این دو تابع عبارتند از: انرژی سالانه بر واحد آینه و نسبت مساحت آینه ها بر واحد مساحت زمین. در این کار آرایش هلیواستات ها به صورت شعاعی یک در میان[7] فرض شده بود [11].
در سال 2001 سیلا و الایب [12] روشی هندسی و مدلی ریاضی ارائه کردند که بر مبنای آن هیچ انسدادی در میدان به وجود نیاید. آنها میدان هلیواستات را به چندین ناحیه مشخص تقسیم کردند که بر مبنای آن توانستند استفاده بیشتری از زمین ببرند. روش آنها در عین سادگی  در مقایسه با روش سلولی هوشمند از عملکرد بهتری برخوردار است [12].
در سال 2004 چن و همکاران کارایی میدان هلیواستات را مورد بررسی قرار دادند. آن ها از روشی جدید برای دنبال کردن خورشید استفاده کردند و به این ترتیب توانستند هزینه ساخت نیروگاه را کاهش دهند [13].
در سال 2004 دادخواه  با بهره گرفتن از هندسه برداری روشی را برای محاسبه زوایای مشخصه هلیواستات ها به صورت تابعی از دو متغیر زمان و مکان (نسبت به دریافت کننده) ارائه کرد. نحوه محاسبه برخی پارامترهای مؤثر بر عملکرد میدان هلیواستات از جمله سایه اندازی و انسداد  نیز مورد بررسی قرار گرفت [14]. 
در سال 2009 کولادو [15] روشی را ارائه کرد که بر طبق آن بتوان آرایش و چیدمان هلیواستات ها را در میدان پیدا کرد. روش وی بر مبنای دو پارامتر اصلی بیان شدکه یکی ضریب انسداد معین و دیگری فاصله امن که فاصله بین قطر هلیواستات و قطر مشخصه هر هلیواستات برای ایجاد انسداد معین می باشد. قطر مشخصه نیز قطری است که بر مبنای آن هلیواستات ها در میدان چیده می شوند. او میدانی شامل هزار هلیواستات را برای منطقه آلمریا در اسپانیا طراحی و روش خود را با روش سلولی هوشمند مقایسه کرد [15].
یائو و همکارانش در سال 2009 طراحی یک نیروگاه 1 را در چین انجام دادند که هم اکنون در حال ساخت می باشد. آنها نرم افزار HFDL را برای طراحی میدان  ارائه کردند که شبیه سازی میدان را به کمک نرم افزار TRNSYS انجام می داد. همچنین مدلی برای محاسبه میزان توان حرارتی جذب شده در دریافت کننده نیز ارائه کردند [16].
در سال 2010 وی و همکارانش روشی جدید برای طراحی میدان هلیواستات ارائه کردند. آنها فاکتور بازده را بر مبنای حاصل ضرب میانگین بازده کسینوسی سالیانه و میانگین بازده تضعیف شدن تعریف کردند و نشان دادند که نتایج آنها با حالتی که بازده دنبال کردن سالیانه  در نظر گرفته می شود نزدیکی زیادی دارد [17].
1-4-1 مروری بر کارهای گذشته در زمینه زوایای بهینه پنل های خورشیدی
برای دریافت بیشترین مقدار انرژی باید سطح پانل تقریبا عمود برجهت تشعشع باشد که این امر با بهره گرفتن از دنبال کننده هایی که به طورلحظه ای خورشید را دنبال می کنند امکان پذیر است. اما مشکل اصلی هزینه بالای ساخت این دنبال کننده ها می باشد، به طوری که می توان به جای استفاده از دنبال کننده، زاویه شیب پانل را به صورت روزانه، ماهیانه و یا فصلی تغییر داد. اغلب مطالعات انجام شده دراین زمینه، بر روی زاویه شیب کلکتور های خورشیدی آن هم به صورت ماهیانه صورت گرفته است و بیانگر این مطلب می باشد که زاویه شیب در نیم کره شمالی برای کلکتور های خورشیدی رو به جنوب وابسته به عرض جغرافیایی است.  به عنوان مثال لوند [18] زاویه بهینه سالانه را برابر با و دافی و بکمن [19] این زاویه را بصورت بدست آوردند. کویی و ریفات [20] زاویه بهینه را در چندین شهر دنیا محاسبه کردند و مقدارآن را بدست آوردند. در روابط بالا علامت مثبت مربوط به مناطق واقع در نیم کره شمالی و علامت منفی برای مناطق واقع در نیم کره جنوبی می باشد.
 نیجی گردوف [21] روابطی برای بدست آوردن زاویه بهینه در ماه های مختلف ارائه کرد که این روابط در کارهای انجام شده در مناطق مختلف جغرافیایی برای سنجش اعتبار مورد استفاده قرار می گیرد. اولگن [22] با بهره گرفتن از یک مدل ریاضی زاویه بهینه در شهر ازمیر ترکیه رامحاسبه و زوایای بهینه را برای این شهر در ماه ها و فصول مختلف سال ارائه کرد. مجاهید [23] با بهره گرفتن از یک الگوریتم محاسباتی زاویه بهینه را برای عرض های جغرافیایی متفاوت از 10 تا 50 درجه به دست آورد و دریافت که اگر پانل ها در فصول مختلف سال بر اساس زاویه بهینه در فصل مورد نظر تنظیم نشوند تقریباً 10% انرژی تشعشعی از بین می رود. گوفیناتان و همکاران [24] انرژی رسیده به سطح شیب دار را به صورت تابعی از زاویه شیب و زاویه سمت الرأس برای نواحی جنوب آفریقا مورد بررسی قرار دادند. گاندرهان و هپبسلی [25] زوایای بهینه را برای شهر ازمیر ترکیه بدست آوردند و نتایج را با مدل نیجی گردوف مقایسه کردند. آنها پیشنهاد کردند که برای افزایش انرژی بدست آمده پانل ها را هر ماه در زاویه بهینه ماهیانه قرار دهیم. کمال سیکر [26] رابطه ای برای بدست آوردن زاویه شیب ارائه کرده و زوایای بهینه را برای شهرهایی از کشور سوریه بدست آورد. همدی و همکاران [27] نیز زاویه شیب بهینه را برای شهری در مصر بدست آوردند و اثر کمیت های مختلف را نیز بررسی کردند. نتایج آن ها در برخی ماه ها هم خوانی کمی با نتایج آزمایشگاهی نشان می داد. هارتلی و همکاران [28] زوایای بهینه را برای دریافت بیشترین تشعشع خورشید در شهر والنسیای اسپانیا بدست آوردند. عزمی و همکاران [29] برای شهر دارالسلام زوایای بهینه را بدست آوردند که نتایج آنها در مقایسه با نتایج بدست آمده از روابط نیجی گردوف در برخی ماه ها تفاوت قابل ملاحظه ای را نشان می داد. علاوه بر کارهای تجربی و استفاده از مدل های ریاضی، شری و همکاران [30] با بهره گرفتن ازیک  نرم افزار تجاری زاویه بهینه را برای مناطقی از اردن بدست آوردند.  عبدل زاده و همکاران [31] زاویه بهینه شیب را برای شهر کرمان تنها با در نظر گرفتن مقادیر ماهیانه انرژی روی سطح افقی بدست آوردند و دریافتند که بیشترین انرژی تشعشعی دریافتی از خورشید در ماه های مختلف سال در زوایای مختلفی صورت می گیرد که با عرض جغرافیایی برابر نمی باشد، ام چنانچه هدف دریافت بیشترین انرژی تشعشعی سالانه باشد زاویه بهینه شیب پانل به عرض جغرافیایی محل نزدیک می باشد.
1-5 بیان اهداف
در یک نیروگاه دریافت کننده مرکزی، مهم ترین بخش چه از لحاظ تلفات و چه از لحاظ هزینه، میدان هلیواستات است.  به منظور آن که نور منعکس شده از یک هلیواستات به دریافت کننده برسد باید پارامترها و عوامل تأثیر گذار طوری تعیین شوند که تلفات کمتری در میدان داشته باشیم یا به عبارتی بازده میدان هلیواستات بیشترین باشد. هدف ما در این تحقیق ابتدا آن است که بتوانیم زوایای بهینه پانل های خورشیدی را برای دریافت بیشترین انرژی از خورشید تعیین کنیم. هدف اصلی در این پروژه طراحی میدان هلیواستات در یک نیروگاه دریافت کننده مرکزی با درنظر گرفتن توان حرارتی ثابت می باشد. بررسی عوامل مؤثر بر بازده میدان هلیواستات نیز انجام خواهد گرفت. سپس با بکار گیری الگوریتم ژنتیک، به بهینه سازی میدان هلیواستات پرداخته و پارامترهای بهینه برای داشتن بیشترین بازده در میدان مشخص خواهد شد. در انتها میدان هلیواستات بر اساس مقادیر بدست آمده طراحی خواهد شد.
2-1 مقدمه
در این فصل ابتدا به بررسی زاویه بهینه و بیشینه انرژی دریافتی در کلکتورهای خورشیدی و پانل های فتوو لتاییک می پردازیم و در ادامه زاویه هلیواستات ها در نیروگاه خورشیدی را مورد بررسی قرار می دهیم.
2-2 مباحث لازم از انرژی خورشیدی
در شکل 2-1 نمایی کلی از یک کلکتور خورشیدی قابل مشاهده می باشد. همان گونه که در شکل مشاهده می شود جهت و موقعیت هر صفحه در هر لحظه توسط دو زاویه شیب و سمت الرأس مشخص می شود که به ترتیب عبارتند از:

• زاویه شیب (Slope angle ) : عبارت است از زاویه بین صفحه مورد نظر و سطح افق.    ( به این معنی است که سطح صفحه مورد نظر رو به پایین است).
• زاویه سمت الراس صفحه (Surface azimuth angle) : اگر راستای عمود بر سطح صفحه مورد نظر را بر صفحه افق تصویر کنیم، راستای این تصویر با راستای نصف النهار محلی زاویه ای می سازد که همان زاویه سمت صفحه می باشد. اگر راستای تصویر در امتداد شمال به جنوب باشد، صفرخواهد بود. شرق منفی و غرب مثبت در نظر گرفته می شود.

شکل 2-1 نمایی کلی از یک کلکتور خورشیدی

زوایای مشخص کننده موقعیت خورشید نسبت به محل مورد نظر  ،  و  می باشند که به تریب عبارتند از:

• زاویه سمت الرأس خورشید (Zenith angle) : راستایی که مکان مورد نظر را به خورشید متصل می کند، با راستای قائم زاویه ای می سازد که همان زاویه سمت الرأس خورشید است.
• زاویه ارتفاع خورشید (Solar altitude angle) : زاویه ای است که خط واصل خورشید و مکان مورد نظر با افق می سازد. در واقع زاویه ارتفاع خورشید متمم زاویه سمت الرأس است.
• زاویه سمت خورشید (Solar azimuth angle) : زاویه ای است که تصویر راستای تابش خورشید بر سطح افق، با راستای شمال به جنوب می سازد. علامت مانند  مشخص می شود.

شکل 2-2 زوایای معرفی شده را نشان می دهد.

شکل 2-2 زوایای مشخص کننده جهت و وضعیت صفحه و نیز زوایای مشخص کننده موقعت خورشید [19]

زوایای اصلی ،  و  که با بهره گرفتن از آن ها می توان جهت تابش خورشید را محاسبه کرد به ترتیب عبارتند از:

• زاویه عرض خغرافیایی (Latitude angle) : اگر مرکز زمین را به مکان مورد نظر روی سطح زمین متصل کنیم، خط واصل با صفحه استوا زاویه ای می سازد که همان عرض جغرافیایی می باشد که در نیم کره شمالی مثبت و در نیم کره جنوبی منفی در نظر گرفته می شود.
• زاویه ساعت (Hour angle) : خط واصل مرکز زمین و مرکز خورشید و نیز خط متصل کننده مرکز زمین به مکان مورد نظر روی سطح زمین را در نظر می گیریم. زاویه ساعت عبارت است از زاویه بین تصویر این دو خط در صفحه استوا. ازنظر علامت در صبح منفی و در بعد از ظهر مثبت در نظر گرفته می شود. زاویه ساعت به دلیل چرخش زمین حول محور خود، در هر ساعت  تغییر می کند.
• زاویه میل (Declination angle) : خطی که مرکز زمین و خورشید را به هم متصل می کند، با تصویرش در صفحه استوا زاویه ای می سازد که همان زاویه میل می باشد که از رابطه زیر محاسبه می شود:

 

در این رابطه شماره روز میلادی است. شکل 2-3 زوایای  ،  و  را نشان می دهد.

عنوان  -بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد—-  صفحه فصل اول: مقدمه     …………………………

 

1 1-1

 

مقدمه     ……………………………..

 

2 1-2

 

بررسی مقالات و مطالعات انجام شده     ………..

 

2 1-3

 

هدف از مطالعه حاضر     …………………

 

5 فصل دوم: شرح مسئله و معادلات حاکم     ……

 

6 2-1

 

مقدمه     ……………

 

7 2-2

 

هندسه مسئله     ………….

 

7 2-3

 

بر خواص جریان آشفته در مقایسه با جریان آرام

 

8 2-4

 

تعاریف     ……….

 

9 2-4-1

 

طول مقیاس کولموگروف     …..

 

9 2-4-2

 

شدت آشفتگی     ……………

 

10 2-4-3

 

زمان مقیاس آشفتگی     ………..

 

11 2-5

 

معادلات حاکم بر جریان آشفته

 

11 2-5-1

 

معادله پیوستگی در جریان آشفته

 

12 2-5-2

 

معادله مومنتوم در جریان آشفته

 

12 2-5-3

 

معادله انرژی در جریان آشفته

 

13 2-5-4

 

معادله انرژی آشفتگی در جریان آشفته

 

14 2-5-5

 

تنش برشی در جریان آشفته

 

15 2-6

 

مدل سازی جریان آشفته و مدل­های آشفتگی

 

16 2-7

 

روابط اساسی حاکم بر ویسکوزیتة گردابی

 

17 2-7-1

 

رابطة اساسی ویسکوزیتة گردابی بوزینسک

 

17 2-8

 

مدل­های ویسکوزیتة گردابی

 

19 2-8-1

 

مدل­های دو معادله­ای     

 

19 2-8-2

 

مدل استاندارد k-ε     

 

20 2-8-3

 

مدل توسعه یافته k-ε     

 

22 2-9

 

معادلات حاکم بر مسئله

 

23 2-9-1

 

معادلات حاکم بر جریان

 

23 2-9-2

 

شرایط مرزی

 

26 2-9-3

 

معادلات تشعشعی

 

27 2-9-4

 

محاسبه گرادیان شار حرارتی تشعشعی (  )

 

28 2-10

 

معادلات بدون بعد

 

29 2-11

 

 

 

پارامترهای مورد بررسی

 

31 2-11-1

 

دمای متوسط

 

31 2-11-2

 

عدد نوسلت

 

31 فصل سوم: روش حل معادلات

 

33 3-1

 

مقدمه

 

34 3-1-1

 

روش اختلاف محدود

 

35 3-1-2

 

روش المان محدود

 

35 3-1-3

 

روش حجم محدود

 

35 3-2

 

شبکه محاسباتی و حجم‌های کنترلی

 

36 3-3

 

روش طول­های مجزا

 

38 3-3-1

 

معادلات طول­های مجزا

 

39 3-3-2

 

انتخاب جهت در روش طول­های مجزا

 

41 3-4

 

گسسته کردن معادلات تشعشعی با روش طولهای مجزا

 

41 3-5

 

حل معادلات جبری خطی

 

46 3-6

 

فضای شبکه

 

47 3-7

 

روش حل و برنامه کامپیوتری

 

47 3-8

 

همگرایی

 

48 3-9

 

محاسبه عدد نوسلت و دیگر پارامترها

 

50 فصل چهارم: بررسی نتایج     

 

51 4-1

 

مقدمه

 

52 4-2

 

اعتبار سنجی نتایج

 

52 4-2-1

 

اعتبار سنجی نتایج انتقال حرارت به روش جا به ­جایی و هدایت

 

52 4-2-2

 

اعتبار سنجی نتایج انتقال حرارت به روش تشعشع و هدایت

 

55 4-3

 

ارائه نتایج

 

56 4-3-1

 

تأثیر عدد تشعشع-هدایت

 

56 4-3-2

 

تأثیر ضریب البدو

 

60 4-3-3

 

تأثیر ضخامت نوری

 

62 فصل پنجم: جمع بندی، نتیجه­گیری و پیشنهادات

 

64 5-1

 

جمع بندی

 

65 5-2

 

نتیجه ­گیری

 

66 5-3

 

پیشنهادات

 

66 فهرست مراجع

 

67

1 مقدمه
جریان سیال با جابه‌جایی اجباری در کانال‌هایی که دارای انبساط یا انقباض ناگهانی در سطح مقطع خود هستند، به طور گسترده در کاربردهای مهندسی مشاهده می‌شود. به عنوان مثال می‌توان، از وسایل تولید توان، پخش کننده­ها، مبدل‌های حرارتی و خنک‌کاری در وسایل الکترونیکی نام برد. درجریان اجباری داخل چنین هندسه‌هایی جدایی جریان و جریان بازگشتی به دلیل تغییرات ناگهانی در هندسه جریان رخ می‌دهد. در بسیاری موارد مانند جریان گاز بر روی پره‌های توربین و یا جریان گاز ناشی از محصولات احتراق، انتقال حرارت تشعشعی نقش مهمی را ایفا می‌کند. همچنین افزایش دما در سیستم‌های صنعتی امروزی، باعث شده است که مکانیزم انتقال حرارت تشعشعی بیش از پیش مورد توجه قرار گیرد. در نتیجه برای دستیابی به نتایج دقیق‌تر، می‌بایستی جریان گاز را مانند یک محیط شرکت کننده در انتقال حرارت تشعشعی درنظر گرفت و تمام پدیده‌های انتقال حرارت شامل جابه‌جایی، هدایت و تشعشع را به طور همزمان مورد بررسی قرار داد.
یکی از هندسه‌هایی که در آن جدایی جریان اتفاق می‌افتد، کانال­هایی با پله پسرونده است. اگرچه هندسه این کانال­ها در ظاهر ساده به نظر می‌رسد، اما جریان سیال و انتقال حرارت بر روی این پله‌ها پیچیدگی‌های زیادی را شامل می‌شود. به گونه‌ای که از چنین هندسه‌هایی به عنوان هندسه معیار برای معتبرسازی نتایج استفاده می‌شود [1].
1-2 بررسی مقالات و مطالعات انجام شده
حل تمامی مسائل مربوط به جریان آرام سیال چسبنده، به حل معادلات کلی مومنتوم و انرژی برمی­گردد. متأسفانه این معادلات به صورت غیر خطی می­باشند و هیچ روش تحلیلی معینی جهت حل این معادلات وجود نداشته و حل دقیق معادلات تنها پس از برخی ساده سازی ها قابل دسترس است. به عنوان مثال یک منبع دقیق در مورد جریان داخل کانال با هندسه های مختلف توسط Schlichting [2] ارائه شده است، اما فرضیات صورت گرفته جهت ساده سازی برای حل دقیق این معادلات چندان مناسب و منطقی نیستند. بنابراین، این معادلات تنها از طریق تخمین عددی قابل حل می­باشند.
حل تخمینی معادلات مومنتوم و انرژی از دیر زمان مورد مطالعه قرار گرفته است. یک مطالعه مناسب توسط Shah و London [3] ارائه شد که در آن حل عددی مسائل مربوط به جریان سیال در هندسه­های مختلف از قبیل لوله، صفحات موازی و کانال های مستطیلی مورد بررسی قرار گرفت. روش به کار رفته برای حل عددی معادلات مومنتوم و انرژی در این مطالعه، روش اختلاف محدود بود. اگرچه این مطالعه یک منبع مناسب به شمار می رفت اما همة راه حل­ها بر این فرض استوار بود که تمام خواص سیال ثابت در نظر گرفته شوند. تعدادی از خواص سیال وابستگی بالایی به دما دارند و فرض وابستگی این خواص به دما منجر به حل دقیق­تر معادلات مومنتوم و انرژی خواهد شد. به عنوان مثال لزجت وابسته به دما تأثیرات فراوانی بر توزیع سرعت و دما خواهد داشت. بنابراین، آنالیزی کامل است که تأثیرات دما بر خواص سیال را در حل معادلات لحاظ کند.
جریان و انتقال حرارت در هندسه‌هایی مانند کانال با پله پسرو توسط محققین زیادی مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است، بطور مثال  Armalyو همکاران ]5و4[ جریانی دما ثابت را با در نظر گرفتن حالتهای آرام، گذرا و آشفته بصورت تجربی و عددی آنالیز نمودند.
از معروفترین اندازه ­گیریهای انجام شده در جریانهای آشفته با جابه‌جایی اجباری در داخل کانال و در پایین دست پله­ای پسرو می­توان به بررسی­های Adams و همکاران ]6 [و همچنین  Vogelو Eaton ]7[ اشاره نمود، بطوریکه بسیاری از محققین، از جمله Abe و همکاران ]9و8[، Rhee و Sung ]10[ و Park و همکاران ]11[ پس از ارائه روش هایی نوین در حل عددی این جریان­ها، نتایج خود را با این مراجع اعتبارسنجی ­کردند.
در تمامی مطالعاتی که در بالا ذکر شد، از اثرات انتقال حرارت تشعشعی در آنالیز مسئله صرفنظر شده است. به طوریکه معادله انرژی تنها شامل ترم­های جابه‌جایی و هدایت می‌باشد. تحلیل همزمان تشعشع و جابه‌جایی اجباری داخل کانال­ها از پیچیدگی خاصی برخوردار است، بدلیل اینکه معادله انرژی برای جابه‌جایی اجباری به مسئلة تشعشع وابسته شده و بایستی به صورت همزمان حل گردند.
در هر حال، انتقال حرارت تشعشعی به همراه جریان سیال با جابه‌جایی اجباری یکی از مهمترین مسائل مورد بحث در کاربردهای مهندسی مانند خنک کاری پره­های توربین، مبدل‌های حرارتی و محفظه‌های احتراق است. زمانی که گاز جاری همانند یک محیط شرکت کننده در انتقال حرارت تشعشعی رفتار می‌کند، خواص تشعشعی آن که عبارتند از جذب، صدور و پخش، پیچیدگی‌های بسیار زیادی را در شبیه‌سازی این نوع جریان‌ها اعمال می‌کنند. Viskanta ]12[ این موضوع را به خوبی در مطالعات خود نشان داد.
در رابطه با بحث انتقال حرارت تشعشی داخل کانال­ها، تحقیقات اندکی موجود است که محدود به جریان داخل لوله و یا بین دو صفحه موازی می­ شود. برای مثال، Campo و Schuler ]13[ ترکیب جابه‌جایی و تشعشع در ناحیة توسعه یافتگی حرارتی داخل لوله را با در نظر گرفتن   جریان­های آرام و آشفته مورد بررسی قرار دادند.
Azad و Modest ]14[ جریان آشفته با جابه‌جایی اجباری به همراه انتقال حرارت تشعشعی در داخل لوله‌ها را بررسی نمودند. در مطالعه آنها، گاز همانند یک محیط شرکت کننده در انتقال حرارت تشعشعی نقش داشت، به گونه‌ای که آنها اثرات جذب، صدور و پخش غیرهمگن گاز را در محاسبات مربوط مدنظر قرار دادند.
Yener و Fong ]15[ جابه‌جایی اجباری آرام در داخل لوله، با در نظر گرفتن تشعشع ولی بدون لحاظ کردن اثرات صدور سیال را مورد بررسی قرار دادند.
Bouali و Mezrhab ]16[ جریان اجباری به همراه انتقال حرارت تشعشعی در یک کانال عمودی با دیواره‌های هم‌دما را مورد مطالعه قرار دادند. آنها به این نتیجه رسیدند که تشعشع صادر شده از سطح تأثیر به­سزایی بر روی عدد نوسلت در رینولدزهای بالا دارد.
جریان آشفته با جابه‌جایی آزاد و اجباری و با درنظر گرفتن اثرات تشعشع در کانال­های عمودی به روش گردابه‌های بزرگ[1] توسط Barhaghi و Davidson ]17[ شبیه‌سازی شد. آنها در کار خود، دو حالت خاص را مورد بررسی قرار دادند که این دو حالت شامل دو مقدار مختلف برای نسبت عدد گراشف به عدد رینولدز و بر مبنای شار حرارتی دیواره‌ها و عرض کانال، می‌شد. علاوه بر این شرایط مرزی شامل شار حرارتی ثابت بر روی یک دیواره و عایق بودن سایر دیواره‌ها بوده است. همچنین از اثرات تشعشع در جهت عرضی[2] نیز صرفه‌نظر شده بود. آنها در مطالعه خود نشان دادند که تغییرات خواص، اثرات بسیار زیادی را بر روی توزیع دما می‌گذارد.
در سال 2011 انصاری و گنجعلیخان نسب ]18[ جریان توسعه یافتة آرام با جابه‌جایی اجباری در داخل یک کانال با پله شیب دار تحت شرایط دمش و مکش را با درنظر گرفتن اثرات تشعشع مطالعه کردند. در این مطالعه تأثیر پارامترهای مختلف بر روی عدد نوسلت مورد بررسی قرار گرفت.
1-3 هدف از مطالعه حاضر
گرچه تحقیقاتی در مورد رفتار حرارتی در داخل کانال­ها انجام گرفته است، اما اکثر مطالعات صورت گرفته، در مورد جریان جا به ­جایی آرام بوده است، به طوریکه آنالیز کامل حرارتی  جریان­های آشفته در داخل کانال­ها و با وجود پله­های قائم بگونه­ای که تمام مکانیزم­ های انتقال حرارت در نظر گرفته شوند، انجام نشده است. از آنجایی که جریان سیال بر روی پله‌های موجود در داخل کانال‌های مستطیلی در صنعت و مهندسی کاربردهای بسیار زیادی دارد و در بسیاری از موارد جریان از نوع آشفته است، مطالعه حاضر این نوع از جریان همراه با انتقال حرارت را بررسی می‌کند. به طوریکه در محاسبات مربوط به دما تمام مکانیزم‌های انتقال حرارت که شامل هدایت، جابه‌جایی و تشعشع هستند به طور همزمان در جریان سیال مدنظر قرار گرفته‌اند.
2-1 مقدمه
هدف اصلی از این فصل تشریح کامل صورت مسئله به همراه فرضیات لازم است. سپس به نحوة استخراج معادلات حاکم به همراه شرایط مرزی لازم به منظور حل عددی پرداخته شده است، بدین ترتیب که با بر خواص جریان آشفته در مقایسه با جریان آرام و با بررسی چند مدل، مدل انتخابی بکار رفته در این تحقیق ارائه می­ شود. در نهایت با معرفی پارامترهای بی‌بعد، شکل بدون بعد معادلات به همراه شرایط مرزی بدست می‌آیند.
2-2 هندسه مسئله
همانطور که قبلاً نیز اشاره شد هندسه مسئلة معیار[3] به صورت یک کانال دوبعدی به همراه پله پسرونده می‌باشد که در شکل 2-1 به خوبی نمایش داده شده است. ارتفاع پله (h) و ارتفاع کانال در پایین دست جریان (H) به ترتیب 0.038 m و 0.19 m می‌باشند، به گونه‌ای که در این مسئله نسبت انبساط[4]، (ER=H/(H-h برابر 1.25 درنظر گرفته شده است. همچنین ارتفاع پله به عنوان طول مشخصه در محاسبات در نظر گرفته می­ شود. طول کانال قبل از پله برابر با 0.076 m و بعد از پله برابر با 0.76 m درنظرگرفته شده است، که معادل  در حوزه محاسباتی است. همانطور که از شکل پیداست، مبدأ مختصات در گوشه پایینی پله قرار دارد و معمولاً بررسی رفتار حرارتی و سیالاتی جریان بعد از پله مورد نظر بوده است.

فهرست مطالب

 

عنوان  -بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد—–  صفحه فهرست علائم

 

9 فهرست شکل ها

 

13 فهرست جداول

 

15 فصل اول: مقدمه………………………………………………………………………..

 

16 1-1

 

مقدمه ای بر ذرات

 

17 1-2

 

بر کارهای انجام شده

 

23 1-3

 

هدف از انجام این پروژه

 

27 فصل دوم: بیان مسئله و معادلات حاکم  …………………………………………..

 

28 2-1

 

مقدمه

 

29 2-2

 

بیان مسئله

 

29 2-2-1

 

هندسه مسئله

 

29 2-2-2

 

فرضیات مسئله

 

30 2-2-3

 

معادلات حاکم بر سیال

 

31 2-2-4

 

شرایط مرزی

 

31 2-3

 

معادلات حاکم بر روش

 

33 2-4

 

حرکت ذرات معلق

 

35 2-4-1

 

نیروهای موثر بر ذرات

 

38 2-4-2

 

معادله کلی‌ حاکم بر ذره

 

43 2-5

 

شبیه سازی میدان جریان لحظه ای

 

44 فصل سوم: روش حل مسئله  …………………………………………………………

 

47 3-1

 

مقدمه

 

48 3-2

 

نحوه شبکه بندی کانال

 

49 3-3

 

شبیه سازی میدان جریان

 

50 3-4

 

روش حل معادلات حاکم بر ذره

 

51 3-5

 

محاسبه سرعت و دمای سیال در محل ذرات …..

 

52 فصل چهارم: بررسی نتایج و بحث بر روی آن­ها ……………………………….

 

55 4-1

 

مقدمه

 

56 4-2

 

اعتبارسنجی نتایج

 

56 4-3

 

میدان سرعت لحظه ای

 

60 4-4

 

بررسی اثرات نیروهای مختلف بر پخش و ته نشینی ذرات

 

61 4-4-1

 

اثر نیروی ترموفورز بر پخش ذرات

 

 

 

61 4-4-2

 

اثر نیروهای ترموفورز و گرانش بر ته نشینی ذرات

 

66 فصل پنجم: نتیجه ­گیری و پیشنهادات  ……………………………………………..

 

74 5-1

 

نتیجه گیری

 

75 5-2

 

پیشنهادات

 

76 واژه­نامه ……………………………………………………………….

 

77 منابع ………………………………………………………………..

 

79

مقدمه ای بر ذرات[1]:
ذرات معلق همیشه و در همه جا در محیط پیرامون ما وجود دارند. ذرات، ریزه‌های مواد جامد و مایع معلق در یک سیال می‌‌باشند. گرده‌های گیاهان در فضای محیط اطراف، ذرات گرد و خاک که با جریان بادها منتقل و پخش می‌‌شوند، فوران آتشفشان‌ها و پخش خاکستر در فضای اطرف، بالا رفتن دود غلیظ به اتمسفر و همچنین خیلی‌ از فعالیت‌های انسانها باعث به وجود آمدن و پخش ذرات در محیط پیرامون ما می‌‌شوند. در شکل زیر تصاویری از ذرات مختلف آورده شده است.
ذرات از نظر نوع، شکل ظاهری و اندازه به دسته های مختلفی تقسیم می شوند که در ادامه توضیح مختصری در این زمینه داده می شود.

• بررسی ذرات از نظر انواع:

گرد و غبار: مواد جامدی که به واسطه‌ از هم پاشیدگی در فرایند هایی نظیر سنگ شکنی، سمباده زدن، انفجار و مته زنی‌ به وجود می‌‌آیند. این ذرات ریز تولید شده از همان مواد اولیه‌ و تفکیک شده خود هستند و از نظر اندازه در طیف زیر میکروسکوپی تا میکروسکوپی قرار می‌‌گیرند.
بخارهای شیمیایی: ذرات جامدی که حاصل واکنش شیمی‌- فیزیکی هستند که در فرایند­هایی نظیر احتراق، تصعید و یا تقطیر به وجود می‌‌آیند. به عنوان نمونه‌های معمول از این ذرات می‌‌توان به ذرات اکسید فسفر، اکسید آهن و اکسید روی اشاره کرد. ذراتی‌ که بخارات شیمیایی را تشکیل می‌‌دهند بسیار کوچک می‌‌باشند و در مقیاس‌های زیر 1 میکرومتر می‌‌باشند. این ذرات میل زیادی به اجتماع کردن و لخته شدن دارند.
دود: یک ابر از ذرات معلقی که از فرایند اکسیداسیون مانند سوختن تشکیل می‌‌شود. به طور کلی‌، دود‌ها به عنوان ذرات دارای منشأ سازماندهی شده در نظر گرفته می‌‌شوند و عموماً از ذغال سنگ، نفت، چوب و یا سوختهای فسیلی دیگر به وجود می‌‌آیند. ذرات دود در اندازه‌های زیر 1 میکرومتر  هستند.
مه‌: این ذرات حاصل از پاشش مایعات و یا میعان بخار به وجود می‌‌آیند.  این ذرات به صورت کروی در نظر گرفته می‌‌شوند و به قدری هستند که می‌‌توان آنها را به صورت معلق در یک جریان هوای آرام مشاهده کرد. هنگام به هم پیوستگی این ذرات و تشکیل ذرات بزرگتر در حدود 100 میکرومتر، می‌‌توان آنها را به شکل باران مشاهده کرد.

• بررسی ذرات از نظر شکل ظاهری:

فرض کروی بودن ذرات، یک فرض بسیار مناسب برای ساده­تر کردن محاسبات و تجسم کردن راحت­تر حرکت آن­ها می باشد.‌ به جز ذرات مایع که همیشه کروی هستند، قالب‌ها و شکل‌های بسیار متفاوتی برای شکل ذرات وجود دارد که این قالب‌ها و شکل‌ها را می‌توان به سه گروه تقسیم بندی کرد :

• ذرات هم اندازه: این ذرات دارای اندازه مساوی در هر سه بعد فضایی خود می‌‌باشند. کروی،چند وجهی، متساوی الاضلاع در این تقسیم بندی قرار می‌‌گیرند. تا کنون بیشترین تحقیقات و دانش بشری پیرامون این دسته از ذرات بوده است. شکل 1-2 نمونه ­ای از ذرات هم اندازه را نشان می­دهد.

 

شکل 1-2 : ذره بلورین پالادیوم [4]

• ذرات صفحه­ای: این ذرات دارای دو بعد بزرگ و یک بعد کوچک می‌‌باشند. برش‌های صفحه‌ای در این دسته بندی قرار می‌‌گیرند. اطلاعات بسیار محدودی پیرامون رفتار ذرات صفحه‌ای معلق در سیال موجود می‌‌باشد و اکثراً اطلاعات‌ دریافت شده از بررسی ذرات کروی را به این نوع ذرات تعمیم می‌‌دهند.

• ذرات رشته­ای: این ذرات دارای یک بعد بلند و طولانی در مقایسه با دو بعد بسیار کوچک خود هستند. برای نمونه می‌‌توان به ذرات بلوری، سوزنی و یا معدنی مانند پنبه کوهی اشاره کرد. اخیراً، با توجه به اهمیت سلامتی‌ و خطر تنفس این گونه ذرات معلق در هوا، تحقیقات تازه‌ای بر روی حرکت این گونه از ذرات در سیال شکل گرفته است ولی‌ هنوز اطلاعات مفید زیادی در این زمینه وجود ندارد.

شکل 1-3 : ذرات رشته­ای فایبر گلاس [3]

شکل و قالب ذرات می‌تواند با توجه به روش تشکیل و یا جنس و ذات مواد مادر تشکیل دهنده ذرات تغییر کند. ذراتی‌ که به روش میعان یک بخار به وجود می‌‌آیند معمولا به شکل کروی هستند (مخصوصاً زمانی که در حین تشکیل به درون یک فاز مایع وارد شوند). ذراتی‌ که با روش‌های خرد شدن و یا مته زنی‌ به وجود می‌‌آیند به ندرت به شکل کروی می‌‌باشند مگر اینکه در حال تشکیل ذرات، فاز مایع نیز تشکیل شود و حباب‌های بوجود آماده کروی در نظر گرفته می‌‌شود.

• بررسی ذرات از نظر اندازه:

ذرات معلق عموماً کروی و یا شبه کروی در نظر گرفته می‌‌شوند. شعاع ذره و هم قطر ذره می‌‌تواند برای بیان اندازه ذره بکار برده شود. در بحث‌های تئوریک خواص ذرات، به کار بردن شعاع بسیار معمول می‌‌باشد هر چند که در بیشتر نمونه‌های کاربردی قطر ذره را به عنوان بیانگر اندازه استفاده می‌‌کنند. در این تحقیق از قطر ذره برای بیان اندازه استفاده شده است.
پس از انتخاب قطر به عنوان مبنای دسته بندی ذرات، روش‌های گوناگونی برای محاسبه قطر یک ذره وجود دارد که دو روش از عمومیت بیشتری برخوردار می‌‌باشند: قطر فرت[2] و قطر مارتین[3]. این دو روش اشاره به ارزیابی تقریب­های بکار برده شده برای تعیین اندازه ذره از مشاهده تصاویر طرح ریزی شده تعدادی از ذرات غیر معمول دارد.
        قطر فرت: بیشترین فاصله یک لبه تا لبه دیگر در یک ذره.
        قطر مارتین: طول خطی‌ است که هر ذره را به دو قسمت مساوی تقسیم می‌‌کند.
از آنجا که این نوع اندازه گیری‌ها به جهت گیری ذرات وابسته و متغیراست (به علت سه بعدی بودن ذرات)، باید در جهات مختلف اندازه گیری و مقایسه شوند تا قابل قبول واقع شود. بنابراین با فرض جهت یابی‌ تصادفی ذرات، قطر میانگین محاسبه می‌‌شود. این مشکلات اندازه گیری را می­توان  با روش‌های دیگری بر طرف کرد که در ادامه به توضیح آن­ها پرداخته می شود.
قطر معادل مساحت: قطر یک دایره است که مساحت آن معادل با مساحت تصویر شده ذره می‌‌باشد.
شکل زیر تفاوت‌های محاسبه  سه قطر مختلف را نشان میدهد.

شکل1-4 : نحوه محاسبه قطر­های مختلف ذرات [1]

همانگونه که در شکل 1-4 مشاهده می‌‌شود قطر فرت از قطر مساحت تصویر شده بزرگتر و قطر تصویر شده بزرگتر از قطر مارتین می‌‌باشد.
بعضی‌ مواقع قطر ذرات معلق را با بهره گرفتن از سرعت حد[4] آنها تقریب می‌زنند. همه ذراتی‌ که یک سرعت حد برابر دارند، بدون در نظر گرفتن جنس، شکل و … یک اندازه در نظر گرفته می‌‌شوند. لازم به ذکر است زمانی یک ذره به سرعت حد می رسد که از حالت سکون شروع به حرکت کرده و بعد از گذشت زمانی طولانی تحت تأثیر نیروی گرانش و چگالی خودش در آستانه ته نشین شدن قرار دارد.
دو روش معمول از این گونه اندازه گیری‌ها می‌توان به قطر آیردینامیکی[5] و استوکس[6] اشاره کرد:
قطر آیرودینامیکی: قطر یک کره بزرگ به چگالی واحد ( ) که دارای خواص آیرودینامیکی همان ذره می‌باشد که به این معناست اگر ذرات با هر شکل و چگالی دارای سرعت ته نشینی برابری باشند، قطر آیرودینامیکی برابری دارند.
قطر استوکس: قطر یک کره که دارای چگالی و سرعت ته نشینی برابر با یک ذره می‌‌باشد. تنها تفاوت قطر استوکس نسبت به قطر آیرودینامیکی، وجود شرط برابری چگالی ذره و کره در قطر استوکس می‌‌باشد.
قطر ذراتی‌ که در بحث علم ذرات مورد بررسی قرار می‌‌گیرند در محدوده 01/0 تا 100 میکرومتر بوده که 01/0 میکرومتر به عنوان حد پایین قطر ذره و 100 میکرومتر به عنوان حد بالای آن در نظر گرفته می‌‌شود. حد پایین قطر ذره حدوداً نقطه‌ای است که انتقال ممنتم از مولکول به ذره در نظر گرفته می‌‌شود. ذرات بزرگتر از 100 میکرومتر به علت تأثیر زیاد نیروی گرانش، به سرعت ته­نشین شده و به مقدار زمان مناسب (کمتر از دقت دستگاه­های اندازه ­گیری) در سیال معلق نمی‌‌مانند که مورد علاقه بررسی در علم ذرات باشد.
ذرات با قطر­های خیلی‌ بزرگتر از ۵ تا ۱۰ میکرمتر می‌‌توانند از طریق سیستم‌های تنفسی فیلتر شوند ولی ذراتی با قطر کوچکتر از 5 میکرومتر می­توانند تا اعماق ریه نفوذ کنند. بنابراین برای مباحث فیزیولوژی قطر‌های ۵ تا ۱۰ میکرومتری حد بالایی محسوب می‌‌شوند. در جدول زیر قطر بعضی‌ از ذرات پرکاربرد مشاهده می‌‌شود.
جدول1-1 : اندازه قطر ذرات پرکاربرد برحسب میکرومتر [3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

دود سیگار	25/0		مه اتمسفری	50 – 2
آمونیوم کلوراید	1/0		گرده	70 – 15
دود اسید سولفوریک	5/0– 3/0		گاز فلور	20 – 15
رنگدانه ها	5 – 1		گردوغبار	1000-10

 1-2 بر کارهای انجام شده
آنالیز انتقال و ته­نشینی ذرات معلق در هوا در دو دهه اخیر مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته است. پخش و ته­ نشینی ذرات در بسیاری از فرایندهای صنعتی و پدیده­های طبیعی نقش مهمی را ایفا می­ کند. فرایندهای جداسازی و فیلتر کردن، احتراق، آلودگی هوا و آب، دستگاه­های کپی، ته نشینی در شش­ها و آلودگی میکروذرات در صنایع ساخت ریز تراشه­ها از جمله موارد کاربرد این پدیده ­ها می­باشد. با کوچکتر شدن اندازه ذرات و رسیدن به محدوده نانومتر، ته نشینی ذرات ریز علت اصلی عیب و نقص­ها در صنایع میکروالکترونیک می­ شود.

1-1- مقدمه. 2
2- مبانی نظری تحقیق     
-1-2 مقدمه. 7
2-2- مفاهیم کلی مکانیک سنگی.. 7
 2-2-1- مفهوم تنش…. 7
2-2-2-مفهوم كرنش…. 7
 2-2-3-مدول الاستیسیته. 8
2-2-4- تنش – كرنش، مهندسی و حقیقی.. 8
 2-2-5-مقاومت فشاری.. 8
2-2-6- پارامترهای موثربر روی دیاگرام تنش – كرنش…. 8
2-3-  مقدمه ای بر علم لیزر. 8
2-3-1-  ماهیت نور. 9
 2-3-2- گسیل خود به خودی گسیل القایی و جذب… 9
2-3-3-  انواع لیزرهای پرکاربرد حرارتی در صنعت حفاری.. 11
2-4-  انرژی ویژه   14
2-4-1-  عوامل موثر بر انرژی ویژه. 14
3- ارزیابی پیشینه تحقیق..
3-1- مقدمه. 16
3-2- حفاری لیزری.. 16
3-3- بر کارهای پیشین.. 17
4- روش و مراحل تحقیق
4-1- تست مقاومت فشاری تک محوری.. 27
4-2- تست برزیلی.. 27
4-3- تحلیل اپتیکی سیال نفتی.. 28
4-4- مسئله کاهش مقاومت سنگ…. 29
4-5- مسئله تحلیل عمق نفوذ لیزر در نمونه ها 45
4-6- تحلیل شرایط محیطی.. 47
5- جمع بندی..
5-1- نتیجه ­گیری.. 51
5-2- پیشنهادات… 53
 مراجع        54
پیوست        61
مقدمه
امروزه حفاری های نوین و بررسی روش های ممکن برای جایگزینی حفاری دورانی، بحث مورد علاقه بسیاری از سیاست گذاران صنعت نفت و مهندسین حفاری است. روش های متعددی برای جایگزینی حفاری دورانی پیشنهاد شده که از جمله برخی از آن ها که به صورت عملیاتی مورد بهره برداری قرار گرفته می توان به حفاری با بخار آب، حفاری با فشار آب بالا و حفاری با لیزر اشاره نمود. از بین این روش ها، حفاری با لیزر روش قابل قبول تری نسبتت به بقیه روش ها محسوب شده و از طرفی تحقیقات بسیار گسترده ای با آن انجام گرفته است. آزمایش های متعدد ثابت کرده است که با بهره گرفتن از تکنولوژی لیزر در حفاری سنگ ها، می توان علاوه بر افزایش سرعت حفاری، زمان و هزینه های حفاری و آلودگی های زیست محیطی را کاهش داد. تحقیقات در زمینه حفاری لیزر در چا های نفت و گاز، از سال 1960 شروع شد. در آزمایشی که توسط محققان در دانشکده مهندسی نفت دانشگاه کلورادو انجام گرفت، از سیستم امواج پیوسته با طول موج 8/3 میکرومتر و توان لیزری بین 147000تا 14700 وات استفاده شده است. در طی این آزمایش در مدت زمان 5/4ثانیه تابش لیزر بر روی سطح سنگ، عمق نفوذ حدود 5/2 اینچ گزارش شده است.
مولفه های مهم که بر حفاری با لیزر تاثیر می گذارند عبارتند از  توان لیزر، طول موج، مکانیسم کاری سیستم ( امواج پیوسته یا امواج ضربه ای)، نوع لیزر و نیمرخ اشعه تابشی. با انتخاب سیستم لیزری مناسب، می توان سرعت حفاری را به میزان قابل توجهی افزایش داد. تاکنون مزایای بسیار زیادی در مورد استفاده از لیزر در حفاری چاه های نفت و گاز گزارش شده است. از جمله این مزایا، ایجاد جداره ی سرامیکی بر روی دیواره چاه حفاری شده به علت ذوب و حفر سریع سنگ کربناته آهکی، کاهش روزهای کاری دکل حفاری و مدت زمان توقف حفاری، ایجاد قطر یکسان از سطح تا ته چاه، کاهش احتمال گیر لوله های حفاری، کاهش چشمگیر هزینه های حفاری، امکان استفاده از لوله های سبک و جایگزینی برخی لوله های سنگین با فیبرهای نوری، کاهش آلودگی های زیست محیطی به علت عدم استفاده از گل های پایه روغنی در طی این عملیات و از طرفی افزایش 10 الی 100 برابری سرعت حفاری می باشد.
به طور کلی هدف از انجام این پایان نامه ایجاد شکست بر روی نمونه سنگ های آهکی بر اثر اعمال حرارت بالای لیزر فیبر و کربن دی اکسید می باشد.
2–  مبانی نظری تحقیق

• مقدمه

در این پایان نامه هدف آن است که به صورت آزمایشگاهی و مدل سازی بررسی اثرات لیزر بر روی سنگ ها را انجام داده و در نهایت لیزرها را به عنوان یک روش کارآمد در عملیات حفاری امکان سنجی نماییم. از این روی تئوری کلی انجام این پایان نامه در سه قسمت نمایان می باشد. قسمت سنگ شناسی و مکانیک سنگ، قسمت لیزر و اپتیک، قسمت مدل سازی. در ابتدا برای مشخص کردن نمونه سنگ های فراوان در سازندهای نفتی ایران، این سازند ها را دسته بندی و از لحاظ زمین شناسی در منابع عملی و مراجع سازمان زمین شناسی ایران مطالعه می شوند.
2- 2-  مفاهیم کلی مکانیک سنگی
از این روی در این فصل به توصیف تئوری اصلی مکانیک سنگ این پروژه پرداخته و خواص فیزیکی مکانیکی سنگ ها را ابتدا به صورت کلی و سپس به صورت مشخص برای نمونه های مورد آزمایش بررسی می نماییم. برای توصیف مکانیک سنگ مراجع بسیاری در این راستا موجود می باشد که در این پایان نامه با ذکر منابع تنها به مولفه هایی اشاره می شود که در طی مدل سازی و آزمایش ها استفاده می گردند. این مولفه ها عبارتند از
2-2-1-  مفهوم تنش
طبق تعریف تنش مقاومت داخلی واحد سطح جسم با نیروی خارجی است[89, 90, 91]. دو نوع نیروی خارجی ممكن است بر جسم اثر كند  
1 – نیروهای میانی یا پراكنده شده در داخل جسم .
2- نیروهای تماسی یا پراكنده شده در سطح جسم .
2-2-2- مفهوم كرنش
اعمال نیرو بر یک جسم موجب تغییر شكل آن می شود . تغییر شكل بوجود آمده در واحد طول را كرنش گویند . اعمال نیروی خارجی بر یک میله تحت كشش باعث افزایش طول و كاهش قطر آن می شود . اگر پیش از شروع آزمایشات طول اولیه روی میله مشخص شود وپس از اعمال نیروی خارجی نیز این طول اندازه گیری شود مشاهده می شود كه طول افزایش یافته است كه به آن كرنش گویند
[85, 89] .
2-2-3-  مدول الاستیسیته
مدول یانگ  یا مدول الاستیسیته به نسبتت تنش به کرنش مواد جامد خطی در پایین‌تر از استحکام تسلیم گفته می‌شود که در این حالت قانون هوک صادق بوده و مدول الاستیک ثابت است. مدول یانگ سنگ همانند مقاومت با توجه به نرخ بار وارده می تواند از نوع استاتیکی یا دینامیکی باشد[87].

• تنش – كرنش، مهندسی و حقیقی

كرنش مهندسی عبارت است از تغییرات طول به طول اولیه كه عبارت است از  
در نمودارهای مهندسی با ابعاد اولیه سروكار داریم ودر فرمول تنش ( σ  = F/A  ) چون نیرو ثابت است و سطح مقطع دائم در حال كم شدن است بنابراین با منطقه گلویی شدن روبرو هستیم. كرنشهای حقیقی عبارت است از تغییرات طول به تغییرات زمان مورد بحث است . چون با ابعاد اولیه روبرو نیستیم و بصورت لحظه ای آزمایش می كنیم[87] .

• مقاومت فشاری

• 

•  

عبارت است از ظرفیت تحمل یک جسم در مقابل نیروهای فشاری محوری مستقیم. هنگامی که حد مقاومت فشاری یک ماده فرا می‌رسد، آن ماده منهدم خواهد شد. بتن، ماده‌ای است که دارای مقاومت فشاری بالایی است. برای مثال، بتن به کار رفته در بسیاری از سازه‌های بتنی، توانایی تحمل فشارهای بالای ۵۰ مگاپاسکال را دارد؛ این در حال است که مصالح نرمی همچون ماسه‌سنگ‌های نرم، مقاومت فشاری‌ای در حدود ۵ یا ۱۰ مگاپاسکال دارند [86, 87, 91].

• پارامترهای موثربر روی دیاگرام تنش – كرنش

• سرعت تغییر فرم
• خواص مواد
• عناصر الیاژی
• دما

با افزایش دما سطح منحنی تنش – كرنش و همچنین پیر سختی كاهش می یابد و بطور كلی در دماهای بالا منحنی صاف شده و شكست با افزایش شكل پذیری همراه است. با تغییرات دمایی در سیستم تنش هایی در مرز ناحیه حرارت موثر دیده و ندیده تشکیل می شوند که این تنش های مخرب اعمالی ناشی از انبساط حرارتی را تنش های حرارتی می نمامند[85].

• مقدمه ای بر علم لیزر

با اختراع لیزر در نیمه دوم قرن بیستم دریچه جدیدی به روی دانشمندان فیزیک اتمی ومولکولی باز شد. بعلاوه این فناوری و کاربردهای ان مورد توجه بسیاری از مهندسین در دنیا قرار گرفته است. تئوری های لازم جهت در ک مفاهیم های فیزیک لیزر قبل از اختراع لیزر درسال 1960 ارائه گردیده بود از ان زمان لیزر با سرعت به طور وسیعی در زمینه کاربرد های جالب فیزیک کوانتومی تا به عنوان یک ابزار مفید مهندسی مورد استفاده قرار گرفته است[59, 60].
پژوهش های کاربردی بسیار جدیدی در زمینه های بر هم کنش لیزر با پلاسما طراحی لیزر های با پالسهای بسیار کوتاه و توان های بسیار زیاد و ساخت لیزرهای با طول موج کوتاه به خصوص در دو دهه گذشته توسط فیزیکدانان و محققین سراسر دنیا صورت گرفته است در این پژوهش ها تلاش های زیادی به منظور کوچک نمودن حجم سیستم های لیزری مورد نیاز جهت تولید پلاسما و تابش های X-Ray به عمل امده است بیشتر این سیستم های جدید در حال حاضر در ازمایشگاه های ملی کشور ها مورد استفاده قرار می گیرند که اینده روشنی را نوید می دهند. در این فصل همانگونه که مشاهده خواهید کرد در ابتدا به اصول مبانی و طرز کار لیزر پرداخته شده است. در ادامه انواع لیزر مورد بررسی قرار گرفته است و در پایان کاربرد لیزر در صنایع مختلف شرح داده شده است[57, 62, 84].

• ماهیت نور

واژه لیزر به معنای تقویت نور به وسیله گسیل القایی تابش می باشد. بنابراین پی بردن به چگونگی عمل لیزر ویژگی های تابش لیزرها و کاربردهایش منوط به اگاهی بیشتر از نظریه های حاضر در مورد ماهیت نور است [68, 74, 83]. انیشتین در سال 1905 به سادگی اثر فوتوالکتریک را توضیح دادبدین ترتیب که نور برخورد کننده به سطح فلز را متشکل از بسته های کوچک انرژی با ذراتی به نام فوتون نامید. او گفت انرژی هر متناسب است با فرکانس آن یعنی E = H.N که H ثابت پلانک و N فرکانس نور است. فوتون برخورد کننده می تواند انرژی خود را به یک الکترون بدهد و به طوری که بر نیروی نگهدارنده ان در سطح فلز غلبه کرده و ان را از فلز جدا سازد[80].

• گسیل خود به خودی گسیل القایی و جذب

در لیزر از سه پدیده اساسی که نتیجه بر هم کنش موج الکترومغناطیس ( EM ) با ماده اند استفاده می شود یعنی فرایند های گسیل خود به خود گسیل القایی و جذب[79, 81].

• گسیل خود به خود

در یک اتم مفروض دو تراز 1و2 با انرژی های E1 و E2 را در نظر گرفته می شود (  E2 < E1) در بحث فعلی این این دو تراز ممکن است دو تراز منتخب از ترازهای بیشمار ان اتم باشد اکنون فرض می کنیم که اتمی (یا مولکولی) از ماده ابتدا در تراز 2 باشد از انجا که E2 < E1 اتم به فرو افتادن به تراز 1 گرایش پیدا می کند. بنابراین اختلاف انرژی  E2 = E1باید ازاد شود وقتی این اختلاف انرژی به صورت موج الکترومغناطیسی گسیل شود به ان گسیل خود به خود یا تابشی می گویند[62, 69, 78] .

انرژی داخلیE:
فرکانس (بسامد) موج: N
بنابراین گسیل خود به خود با گسیل فوتونی به انرژی  وقتی که اتم از تراز 2 به تراز 1 فرو می افتد مسخص می شود.

• گسیل القایی

اکنون فرض می کنیم که اتم در ابتدا در تراز دو قرار گرفته باشد و موجی الکترومغناطیسی با فرکانس N که از رابطه (5-2) به دست می اید (یعنی فرکانس موج فرودی برابر با فرکانس گسیل خود به خود است). نظر به اینکه این موج دارای همان فرکانس اتمی است احتمال معینی وجود دارد که این موج اتم را به گذار  وا دارد. در این مورد اختلاف انرژی  ازاد شده به صور موج الکترومغناطیسی به موج فرودی افزوده می شود این پدیده گسیل القایی است. در مورد گسیل القایی چون این فرایند با اعمال موج الکترومغناطیسی فرودی صورت می گیرد گسیل هر اتم به صورت هم فاز به موج فرودی افزوده می شود. علاوه بر این موج فرودی هم موج گسیل شده را تعیین می کند[61, 64, 67].
لیزرهای حرارتی متعددی در صنعت حفاری معادن و مخازن نفتی مورد استفاده قرار گرفته اند. این لیزرها دارای ویژگی توان اعمالی بسیار بالا به نمونه های مواد روبروی خویش دارند. تمامی لیزرهای پرتوان استفاده شده تا کنون در عرصه حفاری مخازن نفت و گاز به شرح ذیل می باشند[63].

• جذب

اکنون فرض می کنیم که اتم در ابتدا در تراز 1 قرار گرفته باشد اگر این تراز تراز پایه باشد اتم در این تراز باقی خواهد ماند مگر انکه نیرویی خارجی به ان اعمال شود اکنون فرض می کنیم که موجی الکترومغناطیسی با فرکانسN  که باز هم از رابطه (1.1) به دست می اید به ماده برخورد کند در این صورت احتمال معینی وجود خواهد داشت که اتم به تراز 2 برود. اختلاف انرژی مورد احتیاج اتم برای این گذار از انرژی موج الکترومغناطیسی فرودی تامیین می شود. [65]

• انواع لیزرهای پرکاربرد حرارتی در صنعت حفاری

لیزر هیدروژنی
لیزر هیدروژن فلوراید ویا لیزر دوتریم فلوراید  که عملکرد آنها در طول موج بین l=2/6-  mM 4/2 می باشد. این لیزر اولین لیزر در کلاس مگاوات بود و لیزری با موج پیوسته  کهدر خارج از شوری ساخته شده بود. از این لیزر برای تاسیسات  و کارهای نظامی استفاده می شود که ازآن در حفاری مورد استفاده قرار می گرفت که در این عملیاتپرتو های  تابنده شده نشان داد که سرعت حفاری یا سرعت نفوذ لیزر در سنگ بیشتر از 100برابر سرعت حفاری با روش های معمولی  حفاری می باشد[71] .
شکل 1. 2 . لیزر هیدروژن فلوراید[71]
  لیزر اکسیژنی