12

27062012092232 Jan FebphysciBinder2abstract

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 27062012092232 Jan FebphysciBinder2abstract
Page 2: 27062012092232 Jan FebphysciBinder2abstract

���������� ������������������������ �������� ���� ���������������������

��������������

� ��������� !�"������������

#����$%��� ����������������������

&�&����

� �� � �$� �'��"���������������� ���������������������� �� ( )� �������������� ������� ��� ����!������������� ���������"������#��!�$���%��������������#����� �� # �����&�������� ���������%���������� ��!������!�����&����� � *������'��(�)��������� �������(������������*���������"�����)���

� � ����+ �))+�)������)��������� �+������!�%���������� �,�����,�����)����� � #��'�$�*�-����-�%���������������.��)���� �� � (���� %���������� ��!!(�/�+������!�0���������.����� ( ,���)��������� ����������������%���������� ������-������.����� �� ( )- ,�$����������� ������� ��� ����!������������� ���������"������#��!�$���%����������������#����

� �� . ���� �)��������� ���������������������������1������������� �� � &��$������������*��.�%�������������������%��� �� � ( &��������������� ���������%���������� �"��2����)���� � , �����/������������ ���������%���������� �)������%��� � ��"��&�������� �+�������+������!�3�!��2��������

����� �����/����- �01�����������/�$��2�����

���������� ������������������������ �������� ������������4567������2���2� ����������8944����:

�� ���������������������;���34445)67589� ���:;���34448)4<<=9������:>�<�������!������������ �=������&�2�������"���=������������2�������2��>����� ����������/������������;���34445)67459� ���:;���34448)4<6?9������:>�<�������!������������ �"������������=������!�������'����2��������2��>(������������-�������������������������������(

������ ���������@��A�1�� �������� ����!������2����������� ����!������2��������*�����������������2���������,����2���������� )����������� ����������) �����������������3����!�����*������� )��)���')���'������������������� ��*�����������������2����*����-�����"����!�������������*�"����������������(��1�� �+���� ����9��������/�������/����� &���+����/�:���������*�(�8999���������������!���������*�(�?69@���� ���%�A�B99��������������!���������%�A�C9(����� ������ $���� ������D���������������2���-���:� ����/�$�-����) �����������0����!��?99��'�����3��2�*������(�(�4?BE������2���"����!��B749E��%(�(�@�&��('�(?4?�ECC�9497@�����:FF---(���(���(�������+�����1�������������2���2�����������!����2�������� ������������ �������������������������������!����������������� �*�(86�������!�����������<2��*�!��������"���>����*�(�446����������<2����������������>��-�������.����@�%�A�49�������!�����������<2��*�!�������"���>����%�A86�������!�����������<2����������������>�� ���������������������(*�+� �/����� ������=������������������@���-���������������������������!��������������������� �����.�!��� �������������2������F�!����� ����2�������!���������!�����������������!���������������������������(� ����������1������1���*����������������� $�����*��� �B�*�����1� ��� ���*�$+��B���� ��)�)� ����$�""�$�������0��B,� ����)?<4CDB��������

�������������

������������������� ���������������������������� ������ ��������������������������������������

���������������� ��� � ��������!�!"�#�����$$���������%���&������!'()*+����� ���,�-.)!)/!012(/'0.!1+�012(/'1/!1034��-.)!)/!012(/'0*35��-��� -66777# 8 ��#��9��!���-����: 8 ��#��9

� E � �����)��������������� ������������� ����!������������%���������� �#��������#��������.����� � F�������+����%����������=�����)����� �� E G��)������������!�0����%��������%#� �� E G���������������� �������� ��D�!�����

Page 3: 27062012092232 Jan FebphysciBinder2abstract

���������� ������������������������ �������� ���� ���������������������

���������������� � !�" �� ��#$�#

%�������

����������� &��� ' ����(����������������������)�'����%������������ *�+�(��+� ,�������������������� -� �����.�"� ������������.�/� ������/��/�����������0�/&�����/ �

1���������������������)�- ( ���2��'����3 ���%��� ���.��"� ���������-����������.�/ ����+�.�+/��4���//��� ��1���������� 4��/����4���//�������5����-� ���������2����������� 6

�����7���������*���8� ���������������� �/����������������������+����/������������5������4���//��(��� ������������������������ �9

�/�����":�������������"�)�5���%� �/���' �;��&�� �*�����8���������� 4����� ��'������/�)�*�����/��2 �"�����,�����<�0�"� ���/��.�����<//�(�������/��������������"�"���4���/��)������������.���+ #�

��*��%�/;��7����4���"����/=��>���37�*������/=��>-���%������;������ "���� �7�/������=%�,�>������� 2�� �;�����<���������/�4�� �� '����/��������3��-���/������ #?

�/; �*��4������'�� � ���� �8 �;��4�� ���"��.�*��,� � ������!��'1���/��3'����'����*����������3'�������*�����"� .����;� ���,�'�� @A

3;��/�+�������%��'�������� ������� ���2 ���/��������%�� ���� �+������'��� �����B����-��� 4���//��2� �5�4����"��/������/���������5����"���B������2��� ������5���4���//��,�//��.��� 9@

4����%������������( ����B���� ���2�� ;� �� 8��� �������������������-����;�����!������� �����&+/�������������.����5����*��!��/����� *����!� ��5��/��.����������1��������� ������������5�������1������2��+��,���� &�/��� 9C

��� �%�//���������

%��/����<*�����������2 ���/�����( ����B��� �� &��*� ����2�-������-� ���������"���*� ��3�/����2�������'�4���//�������5�����������/����(������4���//������5���!� ��(�� �?

Page 4: 27062012092232 Jan FebphysciBinder2abstract

Potential for Underground Gasification of PakistaniLignite Coal

Shoukat Parveza, Gulzar Hussain Jhatialb*, Anila Sarwarb, Syed Kabir Shahb,Santosh Kumarb, Naseem Ahmedb and Syed Najam Ul Islamb

aPCSIR Head Office, Constitution Avenue, Islamabad, PakistanbFuel Research Centre, Off University Road, Karachi-75280, Pakistan

(received August 9, 2011; revised October 31, 2011; accepted November 2, 2011)

Pak. j. sci. ind. res. Ser. A: phys. sci. 2012 55 (1) 1-7

IntroductionCoal is the most abundant fossil fuel in Pakistan.After the discovery of the huge coal deposits of 175.5billion tonnes in an area of 9,500 sq. km in TharparkarDistrict of Sindh, Pakistan has got a significantposition in the list of coal rich countries (GSP, 2001).Unfortunately the huge reserves are not exploitedyet, while Pakistani lignites are suitable forunderground coal gasification (UCG) and can be usedfor power generation as most of the countries areusing lignite having suitable calorific value (CV)(Table 1). Government of Pakistan is now pro-gressively looking to its indigenous coal reserves notonly as a solution to its dependence on imports tofuel to strengthen its economy but also as analternative fuel of natural gas and power generationin future.

Underground coal gasification has a number ofeconomical and environmental aspects as compared toconventional use of coal (Klimenko, 2009). At presentclassical mining is the most common technology forthe coal extraction irrespective of its well knowndisadvantages. The preliminary studies show that theextraction of the coal via classical mining methods isnot economical at Thar as its moisture contents areextremely high (40-50%) (Brockway and Huggins,1991). Government of Pakistan is now initiating seriously

towards clean coal technologies, especially UCG.Underground coal gasification enables us to extract coalreserves that would not normally be mined.

Underground coal gasification is the in-situ conversion ofcoal into product of combustible gases. It is a complexprocess involving chemical reactions, heat and mass transferand complex flow dynamics (Guo et al., 2008; GasTech,Inc., 2007). UCG utilizes injection and production wellsdrilled from the surface and linked together in the coalseam. Once linked, air and / or oxygen are injected. Thecoal is then ignited in a controlled manner to produce hot,combustible syngas (a mixture of CH4, CO, CO2 and H2)which are captured by the production wells (Fig. 1). Thesyngas is brought to the surface and cleaned for powergeneration and liquid hydrocarbon fuel. It can also be usedfor the generation of other valuable chemical products(Fig. 2).

Chemically, UCG is a complex processes; wherefollowing reactions take place:

Combustion of carbon C + O2 → CO2

Partial oxidation C + ½ O2 → COOxidation C + ½ O2 → CO2

Water gas shift C + ½ H2O → CO2 + H2

Methanation CO + ½ 3H2 → CO4 + H2OHydrogenization C + 2H2 → CH4

Boudouard’s reaction C + CO2 → 2COReaction steam-carbon C + H2O → CO + H2

Loosening of hydrogen 2H (in coal) → H2 (gas)*Author for correspondence; E-mail: [email protected]

Abstract. Laboratory scale process of underground gasification of Pakistani lignite has been performedto check the potential of the Pakistani coal for gasification. High permeability and low swelling index ofcoal are desirable properties for UCG. In Pakistani lignite both properties are found and in case of ligniteand brown coal, natural permeability provides adequate linkage. The proximate and ultimate compositionsof the samples show that it is of low quality coal with high volatile matter. Coal has been converted intosyngas and utilized as the substitute of natural gas and for power generation.

Keywords: underground coal gasification, syngas, Pakistani lignites, Thar coal

1

Page 5: 27062012092232 Jan FebphysciBinder2abstract

������������� ����������������� ��������������������������� � � ������� ����

��!����"�#����#!�$��% ��!!���&����������&�����%��!���% ��!!��������' �&����������������� ��������� �

����������� ����� ��������������������������� ����������������������������� !"##��$� ���

%�����&�������' �(#'#)��&� ���������*#"�(#'')���������������*('�(#''+

�$,-, ��,���,�� ,���,./��* , ��,(#'(((�%'+0�'1

)��� ���

2��� ���� �&��*������������������ �����������*������� ������*������� ������� ��*%'3,1�4��1+��������������������������� %�,�,1!'#5�+,��� � �������*��&�� ������������ ���� �������������������������� ���6����� � ������������ �������*��� ������������� �������������� ���� ���7������� ������������ � ���������������������&��� �� ���-����� �����������������������7��������������������������������* ��������������� ��*%������(#''+,

8�����������������7���������������� ���������������77���&��*��������&��������&�7�����������������7���� ������ ,������ �������������������7���� ��������������,��������������� ��������������7������76���������������7���� ��������������,9����� ��7������������������7��7������*.� �����:�������������;�.����������� ����6������������<����������=�������2�������%������(##'+,�$� ����� ����������� �� �7���� ���������$�>������:� ��>�����>������� �����������1#$�7���������7����������*,.����� #���� �������� �7���� ���������� �� ��&������ ��������������*6�����������1##$������������� ��������������������������� ����������$�>��� ��� ��-������ ����� ��� � ���� �7���� ��� ��

��������� ��������� ��������� �������?����������������������*��������7��� ������$ %=����������(##1+,

�� ��7���������� �� � ����*������� ���� ��������������7#,1�', @9A1������7������������������7��������� ���� ��*%���&� ��&��������$�(###+,2���������������� �7���� ������6��7������%�����+9A!6��� ����7�����&��*�7B,'�B,3��� ����������9A!

6��� ����7�����&��*�7 ,3�",'%:���$�������C������'300+,2������7��������7��6� ����� 7����6�������������������������7�������������������������*������ ����7�����������7������� ���������� %9�� �'30 +,:���� ��7������� ����7�����&��*�7������� ���������� ����*����������������&��*������������������� ,������������ ������������������*���&������������� �7�����������6���7����7���������6����6��7��������� ������������������*���&��* ��������� ������� �������������6����������� ���������%9�� �'30 +,

2����������� ��7��� ��&� ��������6� ��&�������� �����������7������������� 7�����������������7����� ���������������������7 ���� ���7��������������� ���,2����������������7�������$�>���%�������+�����7D��������$� �������������� ��������� &��������������6� ��-�������&����� ������������ ���������?�� ,. ������������������������� �� ������&�������� ��������� �&������� ����������������6��$,2������� ������� �6� ���

E.�����7������� ��������)F�����/$���������$����G�������,���

&�����*.������ ������&� ��������6� ����������7���������7���������7���� �������7��������=�*����$����$�6���$� ���,2�������������*����������#, @9A16� ���������*����*����������������7��* ��������7��������������?�� �,����&��*������������������������ ���������,C�������C��$�������������2����6� � ��7�����&��*������������� ����� ,. ���� �7�� � 6� ���7������������77����7&����� ����� &������� ���� 7��������6� �6����7��6��������$������������������� ���$�������6� ������,2������������ 6������������������������������������� ������7������������������������������������������������������� �7����� ���,.����������������� ������ ����������������&����������71#,0 @9A16���B ,B(@����&��*6� ��������,2�� �����������6� 7���������������*�������� �����������1!,''@9A16�����������B ,B(@����&��*,

�������+�2��� ����������&��*���������������������� ���������� �������������������

0

Page 6: 27062012092232 Jan FebphysciBinder2abstract

����������������� ����������������������������������

�������������������������� �������� ������������ ������ �������������� ������������������������������������������������� �!�"�#����

$��������%����& � !&!'�������%(�(��&)� !&&'��������%(�(�� *� !&&+

"�#,-,���,��,���,���,%.����,���, !& !!$&+&/� !

������������

����0��������(�������������0������������(���� �12�1 ��������0�������������������������(�������������(���(��������3��0���4�����������������(�������(���(���(�����������,5����������-�����3�������������������0��������������������������������3�������������,�������������������������������������������������(�������������������������������$6(�����&)) '��������&)) '"�����&)7*+, ����������������������������������������������������$8�4������� !!7' !!�' !!/+,6��������������������3�������������������� ���� ��������� ���� �� �� 3������� ����������(�����0���������������3�������������������3����������(�����$1��9��������&))!'������������&)77'6(�����&)7/+,�����������������������������������������(��������(��������0��������������(��������, �(����������3������0��������������������������(���������#�����������������������(��������������(�����������������(����������(�����������������$%����������&)):+,%����3��������������(��������0������������������������(���������#���������������������$ �����������&))&+,2�9������������(�����������9������(����������3�������������������������������3(���������������0��������������������3���$6���������� !! '�������������� !! '�������������� !!!'�����������&)))+,

"�����������(���9������������������������������������������(��$������������������������������������������+������9���#�9�������������(���(���,"���������-(���������������������������������������0�����$;(����������� !! +������������������������� � ������������$;������������� !! +�2(��<��(����������=��(�$2<=+$5����>�����&))7+����������������(�$?����������&))�+���(����$@�(#�������������&)) +,�����0��3�����������#���������$;��(�������� !!&+����(����������3���������(��$%��������������� !!&+�����������5�9������5���������$5�5+�(�������3��������������������������$%������������ !!!+,���������0��3�����������0���������������������������0�������5�5��2���������5���������$2�5+�0�������9���� -(������� ����� (�� �� ��������������������������3�������������������$"�(�3�������� !! �%������ !! '����������� !! '%��������������� !!&+,"��������� �0������0��3�������4������������������������������������$1�������;���(����&)))+�����������$��9�#����&))�+�����������������������������$���(3����������&)))+,�(���3�����������������3���������������� �0��������3�� �(������(���(��� � �#����������,

<���9���������������������������������(�������� �����(��9����������� ������������(������������������(�������9������0������������A%(�������������������'B�����.�4,������C�����,���

�"�����#����0���������������������������-(��������9������0����������������������������9����������������������0����������������(��������3�������������� � ���������&������������4��$�""2+��������,1����������9�����0��3����D�!E�""2����������������������������������9���������������(������(�����������������3����������(������0�����������$����0������(�+�������������,"�������������������������(�������(���������3�������������������������������������:����������$"��:����������+��������:���(����$6��:�F�(����+������������G(�����������������������������0��3����D�!E�""2����������������,��������������0��������������������(�������(��3��""2������9����(���3� ������ ����D G(������D ��������D 6��:����������D "��:�F�(���� 9���� ����� 9��� ������� �����(���������0������(�$"=+9���������������""2,

$� %����&��������������������0������������������������:������������������:��(����������������G(���������������

&/

Page 7: 27062012092232 Jan FebphysciBinder2abstract

��������������� ������������������������������������������ �������������������������������

����!�������"#�����$�%�����"&���'����"$���(����")�� ������"*����+������"���������,������&���'���-.

������������ �������������������������������� �������������������������� ��� �!��"##$%��� �%��� ��

&�����'�����"(�)#"#*��� �+�,"��)#""*���-��+�,).�)#""/

��0�1� �������� �2���3- , � ���)#")//&"/)"4)$

������� ����

� ����� �,���� ��0���� ������� � ������������ ��,� ����-����!� �,�� ��0��� �� ������&%56/6�������&2%67("�8����9/�: �� � ���� ����� ����!�������������!!����,��� � �,-�!������6�������� � �� !�� ����� ��-,��� ��������!� ������,������0����&�� ��������)##)�*)##)�/��% �� ��� ��!�������!6�������� �� ���� -��!���� ��������!�,�� ��0��� �% � �������,�!�� �������� �����!��������,�� �������� ������, ��!!�� �+��,�!� !!�� ���� �-�������� �����������������,�� ���������6�������� ������ ���� ��������*�� � ���-��������-���������4�����������,&�;</����-��-���������� 4=-� ��������� �-&����������)##7*)##>/�6� ���4�����������,-� �� �� ����������,�6���� ���� ���� �� �:���������������:��� ���-�� �������������� �!� �������� -� ���!�������������:�� �,���������� ������������� -�� ���-�� �������������� � ������ ��������������� �� � ���� 6���������,���=��������:�� ��&���� �������)##�*��� ����������)##;/��% ����, � �!- ����4

��0�����?- �������,������������ �- ��������� ��� ������� ������������ � -�� �-�� �� � ������ ����� !��-����� :�� �+��&������������)##>/�% �� ������!6�������-�� ����� � �� �:����� !�����������,�,������ ��� �������: �������-�� ����������������� ���-����� � !!����, � � ��� ���+�-����� &��� ���������)##;*�������������)##(/��+�-����� �� �����,��������������������6��������������=����� �+����������!����-�� ����� � ��-�������� � ��� !!����, �������� ��=����, ������ ���-����@�� � ��������+� ��!� �� �� � �!��6�������������!������������@������� ���������- ��&��/4�� -���������� �,&�:����������)#"#*5��������������)#"#*A�� ��������)#"#*� � �������������)##�*�B���������������)##�*C��������������)##�*���0 ���������)##�*���� ��������)##�*%������� �����)##7*D�0 ����� ��� �����)##)�* )##)�/�% � �� ����� ����=-� �����,������ ���!�����,�!������������� E��� ������� ��� ���������� �!��������%�+������� ��� � �������������������� ��������,�2����FG4C����� �� !��6�������������!��������� ����-�� �� ����� �����&'� �����-�������)##(*2� �,����������)##>*G�-�������������)##>/�% H��� ��!������ -�����*�4����3��� �0���@I�� ���

&����� �06�������� ��:�������������: �� ��� �, �������,�� �������� ����,�� ��0��� ��� � � ���0�������������������,��-�����:�� � ������,������ ��0���&�+�/�6�� � ���,���-����� � ����C�� �� ��������� ���������- ,&C���/�� �� � ������-�:�� FG�������!�� ���������!6�������!���� -�� ���!�+�-����� �2��-� :�-�-������ ��-���� ���� �-�,-���-��������!-�� ��-����� :�� �� ����������������-��� �� -�0�-�� ��:��������������������������!7##4>###��?���6�����������4��,��!!������!���������&-��� ���/������ &�������,/:�J"#<�������!�������&�'�/���������!������!�������&�'K/�!6�������:�")7�>"��?�����.;#��?���� -�����,�+�������,�!6������������!����.�;><��"#��$;<�% ��� ���������� �:�� ��� ������! ��-� :�� ���)#<��!!���!����!�������:� "�����!)> ��-� �+� ������-�� !�=��������,�� !��!������, ����������� ��-� ����������6��������

'��1����26��������������� ���������- ,�-�� ���������������

)"

Page 8: 27062012092232 Jan FebphysciBinder2abstract

��������������� ������ �������������������������������

����������

��� � �!������ ���� "�!#���"�� $��������"$��� �#�"� !%#��&'()�(������� ��!%��*���� ����+����+����+ %+% �##�� �#�+���� ,� �#�������&'((��-�)*�,%�.�-��//0������ � �!�������1�$������ !� ��2�'()�(��2�$ �%�����1��,����� +���1�#��+%�������������3%�����"�+�� �,�#�$�#�!�� +���- �#�+���+��+�� ��,#+��+��"� !�!�+�#�����!�#� ���'�#������������//���

��� ���� ���� ��#�*�!�#�%#� �*�$�+� �����#�+�$�$��+��� ��%���,��! �,����4+�#������������������5�����!��%���-���*�1� -�� ���,#��+����#�+���+�� �!�+�#����-"� �� �!�#�-��#%!�%!��666���5�����#��� %$�% ��+#��1�#�,#��"� �+���#��#�+ ��+!��+��"��#%!�%!��+� �+��������+% �#���� ���� �����"� � �!���7����� ���������//����6+����� ���+#��,�����%$$��+���+��+�+����+� �+��,�+*����!�#�,���%!�������� ���� �������,�#�$�#�$�"�������� ���� ���!$�+�,���1�#1�����+���#��� ��-�,%+��#�����!�#�,���%!�%�+�������+ �$���" �$,�+� �� �8%�!�� ��� �����//0��� �!��$� �%!� �%���� ���� ����+ %+% ��-�+������ � �!�+���� ���"��+� ��+�%��+��+�� ��,#+��+��"� !��+�,#��+ ���+���!�+�#��!�#� ��+� �%$��+���"� !�+����"�"1��!�!,� ���#�+�� �$�������*�������!��6��8�������������//���

'�+���#�� ����)���� � �#�+��� #$����� ��%�� ��� 9�:#%+�+������*��� ���,�� ����� ��� ���,�#�$�#��3%��+� �$��$��+��"� ���#� $��#�����"�!�+�#����-�� ��� +%#� #���""�+1�����+�,#.�$��$��� ��+����+�+��"� �#�!��+���%�����1����%!�����!�#�,���%!���#�%����)*�,%�.�-��������5�����#$��������%+#.��+������,#+��"�" ���1����%!�����+���+1�+��$#%����%�+�������$#%����!�+�,�#�!��� �+�������+������� �,��;���"�#������+��#�*� �,#����$#%����#�1�#������� $#��!� �+���� �,������"�#�����#�%�����)*�,%�.�-�������

<������ � �!� ��� "� !� +���#� �+���� �#�!�#� ���*+�� + ���+���!�+�#��1�� �� ���+��+� �%$��+���� �$����+�!������"� !�+����"� ������,#����!�+�#�� �$���,�������#�%�����)*�,%�.�-����=���� !����%#�� � ���+���� ���+��<��>6�� �3%� ��� �!��#��!�#� �<�(�9;-�������+ ���+�+��()(���� �����,���� ��� +��������!���#� "� � +����+1�� �+ ���"� �!�#�,����.�!���5�����#�+���*� ��"�%��+��,��%�%�%�##���+�,#������+������++ ,%+���+����,����$4�!�#�����+%+%�!�������#�%/�?$!�#��!

���������'�#����+���� ,���� � �!�����'�����*������+���.��-��� �+� .�������+�� ������+� !�������+ ����+�!�+ �##�����/�����+����@'�������,%""� ���"�����!�#A�!�������+ ��$+�������5�����+ ������1��+$�+����"�+�� ��+���*+��<���>6������>(��6>�����3%��%����#%+��� �1��#���+�����#�"� !�+����"���0����������!�#� ����+��3%#, %!��5�����#�+����!�#� ���*� ���� �+� .���,���#�!��+�#���#���-�!�#� ����%+���-�!�$��+�!�!��+�-�6&������#�+ ������+ ���+%�����5���!�$��+�������+ ���+%�����"�+�����#�+����!�#� ������+���� ���+���1��� �$����+�!��"�+������ � �!�+��$ �%��5����+� �+�����"�,�+��+���#$��������+����#�+����!�#� ���*+����!��! �� $���!����1��,�����+%����7�+��+���#$��������+���!�#� ������*��$�"��+�����+1+��+�*� ���+���! �,��������#��-�+��� �#�+���!�#� ���������������+,�+� �#��+1+��

�������������+ ��$+�-��3%� ���� �!��#��� ���+��-�!�#� ����%+���-�!�#�,���%!-�� �1����%!-��� � �!���-���+,�+� �#��+1+�

���������������������������� !�"����#��������� �!"����$�����$�����������$��������� ��� �%& "�����$����'$��������

(���������)�����������*������

����#���+���� ���8��� +!��+��"�'��!�+ �-�)$� ���8�"��������!�-��<7����/-�B��%��-�)$� �

� ��1����� #��-�����C� �1����(+�,� ���-�����C����+���)�1�!,� ���-������

��

���

��

��

��

����

�� ��

���!��6

Page 9: 27062012092232 Jan FebphysciBinder2abstract

Improved Modeling for Pressure Drop in MicrotubesKaveh Hariri Aslia*, Faig Bakhman Ogli Naghiyevb, Soltan Ali Ogli Aliyevc and

Akbar Khodaparast Haghid

aDepartment of Mathematics and Mechanics, National Academy of Science of Azerbaijan “AMEA”Baku, Azerbaijan. Postal Address: No.1045, Alley Azerbany 2, Farhang Ring, Rast, Iran

bDepartment of Mathematics and Mechanics, National Academy of Science of Azerbaijan “AMEA”- Baku, Azerbaijan

cAzerbaijan State Oil Academy, Baku, AzerbaijandUniversity of Guilan, Rasht, Iran

(received September 9, 2009; revised August 10, 2011; accepted September 6, 2011)

Pak. j. sci. ind. res. Ser. A: phys. sci. 2012 55 (1) 36-42

IntroductionNew methods of liquid cooling are introduced bydeveloping the micro fabrication technology. Thecombine attributes of very high surface area to volumeratio; large convective heat transfer coefficient, smallmass and volume, and small coolant inventory makemicro-channel heat sinks suitable for cooling of devicessuch as high performance micro-processors, laser diode,radars, and high energy laser mirrors. To design effectivemicrotubes heat sink, fundamental under-standing ofthe characteristics of heat transfer and fluid flow inmicro-channels are necessary. At the early stages, thedesigns and relations of macroscale fluid flow and heattransfer were employed. However many experimentalobservations in micro-channels deviate significantlyfrom those in macroscale channels. These disagreementswere first observed by Tuckerman and Pease (1981).They demonstrated that micro rectangular passageshave a higher heat transfer coefficient in laminar regimesin comparison with turbulent flow through macroscalechannels; therefore they are capable of dissipatingsignificant high heat fluxes (Hariri et al., 2010a). Sincethe regime of the flow has a noticeable influence onstudying determination of heat dissipation rate, severalresearches have been conducted in this field. Wu andLittle (1983) measured the heat transfer characteristicsfor gas flows in miniature channels with inner diameterranging from 134 to 164 mm. The tests involved both

laminar and turbulent flow regimes. Their results showedthat the turbulent convection occurs at Reynolds numberof approximately 1000.They also found that theconvective heat transfer characteristics depart from thepredictions of the established empirical correlations forthe macroscale tubes. They attributed these deviationsto the large asymmetric relative roughness of the micro-channel walls. Harms et al. (1997) tested a 2.5 cm long,2.5 cm wide silicon heat sink having 251 μm wide and1030 μm deep micro-channels. A relatively low Reynoldsnumber of 1500 marked transition from laminar toturbulent flow which was attributed to a sharp inlet,relatively long entrance region and channel surfaceroughness. They concluded that the classical relationfor Nusselt number was fairly accurate for modelingmicro-channel flows. Fedorov and Viskanta (2000)reported that the thermal resistance decreases withReynolds number and reaches an asymptote at highReynolds numbers. Qu et al. (2000) investigated heattransfer and flow characteristics in trapezoidal siliconmicrotubes. In comparison, the measured friction factorswere found to be higher than the numerical predictions.The difference was attributed to the wall roughness.Based on a roughness-viscosity model, they explainedthat the numerically predicted Nusselt numbers aresmaller than the experimentally determined ones. Choiet al. (1991) measured the convective heat transfercoefficients for flow of nitrogen gas in micro tubes forboth laminar and turbulent regimes. They found thatthe measured Nusselt number in laminar flow exhibits*Author for correspondence; E-mail: [email protected]

Abstract. The study was carried to predict the pressure drop in the microtubes by applying a finite volumesolver. The full Navier-Stoke's approach is examined for this kind of narrow tubes for the pressure dropevaluations. The complete form of the energy equation with the dissipation terms is also linked to themomentum equations. The computed pressure drop show good agreements with the experimental data.The effects of flow rate and channel geometry on the pressure drop of the system are also predicted.

Keywords: microtubes, pressure drop, finite volume method, aspect ratio

36

Page 10: 27062012092232 Jan FebphysciBinder2abstract

������������� ������������������������������������ �������������������������������������

������������������������ ��������������������������� ����������������������������������������!������"���#

������������� ��������������� ������ ����������������� ������������������ !""����# �����$��������������� ���%��&�������� �� �������'��������������(� ���� �%�����������# ����

)���� ����*������+"��,"+"-���� ����.��������,"++-����������/�� ��0"��,"++1

��#2�32��� 2� ��2����2����2�/4���%�2��� 2�,"+,�$$�)+1� 0� 5

�������%�6���7����7������������'���������7������������ 8����������������� #���9���*$��:*$��6$�����6��2�/��������������7����������������� �� ����� � ����;�� ������� ���������<��� �%�������������# ����2�6�������'���������7����7����� ��� ��� ���'�� ���������7 ���:*$������*$��� �'��5,"��'=�����!>?"��'=���������� ���%2������ ������%��7����7�����7������������%���'���� ����������� �'�� �����������)���� �� � �����%����� ����� ��� �1������'������2��*$�������� ���������7 ��� �������� ����������������� �����>,@2�6���� '������'������������������������ ���� ���2���������� ��� ������ ��������������*$������� ��������� �����? @2�6�������'������� �'�������7������%�� '����������'�������7����7������������7 �������2�6������ ����������� ������������'�������������*$������� �����5�@�7 �������'��������������������� ��2�6����� ���������� �������������������:*$��6��������6$��������� �����5�@��>5@�����??@��������� ���%2�6������ ��� ����'���� �=���� � ��� ��'��������������*$��������7 ���� � ��������'���������2

"�&����'�����'����������7����7��������'���� ���������� ��������'�������

(�������

����'���������7����7����� )�9A1�������������� ��������������� ������������ � �'�7�������%26��%������ '�� ���'�� ��������2���������� �����'���������'�����������������������%'���� ���� ����)<� �������.�&��������+>5>1�������������� ��� ��'����7�����)���'�% ������/'��7����+>>,12�6������� ������� ��������������� �'���������'����������������������������� ���������������+�� �� ������� ���B� ������� ������;����������������0�� �� � ��&������)��%����+>5?12�:����������� �����%'���������)�*$1��0?��"""��'=��7� ��� �����������3��� ����������������� ������'���������7����7����)6� �������������������+>>,12������� � �������'��������7����7��������� ���� '����������� ��������������� ���)��1�� ����� �'�� ����������'��������� �������������������������'� ��� ������� '������ ���� )6� ��� ���������������+>>,12

����'���������7����7�����B��� �%�������������������� ����� �'��� ��������� �'2�6� �� ����� ������������� ����������������������� �'�� �' �����%'���������):*$1�)��%��������2��+>5512�A���������%������%������������ ��� ��������������������������� �������'�������:*$������7 ������� ���������2�:*$

��� '���� ��7����7����������������'��������������'�����'���������)6� �������������������+>>,12

.������������'���������7����7�����B��� �%�������������������)��%����+>5?-�:���������2��+>5,1�/������ �� )<� ��� ���� .�&�������� +>5>1� ���� ���(�/�)C�����+>>�12�6���7���������������%��� �������'���� �'������ ��'������������ �������%�����'�� ����� �������� �������������2�:��� ���������� '��%����� �'�7������������� ��7 ������������������������ �'����%'���� ������� � �'�7�������%��� �'� ������������B��� ��� ��������� �����%������������ ������������ ��� �2�.������������������ �������������'������ �������������'���� ������������ �� ��7���������� ������� �'���� ���7����������� ������� #�������������� ������2�����'����������������������������� ��'����������������� ����%��'������ �������������2

6������������� #����'���� ���8��� ������� �' ���������� ���� �� �'� ����� �� 7����7����� ��������������� �'�����������������7����7�����)D���������2�,"+"-�D��������C��'��,""5-�6�����'���������2�,""0-�C�����+>>�-���%��������2��+>5512�6������������'���� �=������� �� �������������� �������%�� ���������������'���������7���������������)/��������/������,""!-�/'� ���������2��,""�12�6����� ����������� ��7�%� � ��'�������� ���������� �� �� )��1E/�������������������-����� �4�3�7��F��G���� �2��

0

Page 11: 27062012092232 Jan FebphysciBinder2abstract

��������������� ����������������� ��������������������� �������������� ���������������������

� !��"�� ��#�������$ ���%�����&����� !�������&�������%�� !���$ ��� � ���' �����(� ������� ������%���������'������� ���)��������!��

��������������� ��������������������������������� ����������������������� � � ��������!����"���#���$%&'(����)�����

*��#������+��#��&&��&(,,-���������.�/����,$��&(,,-��##������.�/����&%��&(,,0

��)��1���#������������������.2���3����#���&(,&�**�*,0�45�%6

�+������,�.������/����������3�7���#�����������������������/�����7�����!�����3���8������������7�����#��������#�����������#�#��� �����������/�����7������������ �������#��������)��/�7������������������9������������3������*550�7������� �����7�������� �3�#���#������ ������3�������*::0�����������#��������������#��8������)������������3������������#�*.�0���������� �����������������#�#����������)��/�7������� �������)������*;�0��#��#�� �*��0��#�����*��0����� ��#*<�0��=�����7������� �������7������/����� ��3��+�����"����> ����������"����"���1������� ����������������#��� �������7���.��#�#����������������������,(�����7������������������������� ������.��#�#������������7��������� ��� � ���� ���������� ����������������/�����������������������������7����������7������������8�����/�����������.�����/�����7��������������/�#�� �#��������������.�����������#����3��8���!�����3��$6?����� ������������������������������ ��3�����������������������������#������/������������������������������ �)��/�7������������������)��/���������

$�-����.�������#��/�����7�������������� �����#��������8������)��

(�������

=�����7�����#��� ��������3�.�������������/���#��/����������������������3������������/�#���������������������������#��������*@����������������&((40����������������� ���������������� ����3���������������7���A����������������/�����7������������)��/�������*B�#)�����������&((%0�

.�����#�*.�0������ ������������##������������3������/����&(��� ��������������� ����������������A��#��������# �������� ��������&4%� ���������8��������� ���3����#�������/��������������/�7����#��������#)���������#������������ �������.�����#����� ��3�������##�������/�# ���������� ������������������ ����@��������/����#)��#�������������#������������������#���������7��#�� ������� ����.�� #3#��� ��� ����� �� �3����������������������������/�����7����������� �)��//����7�����#��� ��������3�.���������������������� ��)����������������7�����8����������������������#���.�����������,�%�:� /C)/��������#�����.�������������� �������������������7�������������/���#����/������ ��A���#���������������3�����#�������������#�����������.��7������������������!������3�����/������������A��#��������������� ������7�������������������/�/���� ���.�����#� # ������� ����� ����� �������

����������,?�*(�(((%?0������������A��#�����*+����������� �)���&((&0������������������3���� ���#����������������/��#���������������#)����������#����#���������3���� �������/3�*=�����/������9A������,5$:0�

.�����������#�� �#���������3���/�#���#���!���#����.������#�#������������������ �����3�#�����������,'� /���.���.�����#�������#������������������������������� �����3����������'(?���������������.����7����3������������������������������#�����/�������������� ��������#�����������)������������#�����3����������������� �7��������#����������#����*B���/������. #���,55(0�������#� ����#��� ��.�� �3� ������� �� � ����##� ����������������3���������/����������7�����)���������������/�������������� �������/�������#������������������������#���� ������.���������)��/�7����������#��������#�����/��)�������/��)����3������������#��#����*.� ����&((:0�

@������������������������� �1�����������������#������������)�����������)��/�7�����!�����3�������3 ���/������� ����������)���������)��'(���� �/,&&���������������)��/�7�����!�����3������)��/�7�������#��������*�����#������/�����7����0�����#���� �������7����#���� ������#� ���������������#��������/��������#����3�*. � ��������������&(,,0��.�����37���#���#������������������������"���������/��D.��������#���������#�2�� ���2�� ���/���&((:E3���#

45

Page 12: 27062012092232 Jan FebphysciBinder2abstract

���������� ���������������������� �������������������������������������������������� �������������!�" ������#����$ �%�#���&���� ���������" ������'���$���(�����

��������� ��������������������������������� �

��� ��!�"���� �����#������$���!���"���� �����%�������$� �� �"�& ������������'

��(�)(�� �(���"(����(����(�*+���,�(�� �(������))��'��-��.

*�������+������ �� /",����0� /��"���� ���1��/�"�� ��� �� ��� �0��� ���2��!���� ,�3�����������,��!������������� � �����1,����"���� ������� ������0���!��������������/���� ����"�/� ���/���� ��0�� � ���(�4 ��� ���� �"�0���� ������� ����������,5�"(�3������/� �������"� � � ���0��� � ���� ����������������/ ����!��1��6�-(�#��"�-(�7� ��������� �� �����1���7(���.(��'�������� ����6�0�� ���� ���������1� ��1��/��0��"��"�����"�0�����&���� ��������(%%��(�(����1� �,� �"� (�3������� �� �� ��0� ���� ������������������������ ��� ��"/ �!� ,���1�"�0����7�8�7%89�: ��0��� ���0��� �����������"���"/ �"� ���(%-�9�: �(�3������� ������!�� �1 �"��������� ����0� ,����������!����0� ���� ������"��� ��� ������ �"�"���� �� ����� �� �����0��(

,�������-� �����,�����0�� � �������!������������

�����,������0���������1��/�"�� ������ ���������/� ���0����� ���0�����/�����"���;/�����##�'(����� ���!�/ �����0�1��/�"�� ���0���2��!���� ,3��������������1��� �� ��������� �� ��� �,��!������������� � �����1,�������� ����"��/ � ���� ����/� ����0�� ��� �0� ��"���"/� ��������� �������'���(����������������(

4 ����������0��� ���� ����,��������� ���� �"0���� �����"�00���� ����� �(�&���0���� /���������� ���� � ��������'��0����"�� ��/ ���� �� ���!���/��� �������� ��"����0���� ������ ����� ��0� ���� �� ��"� ������0 ��� ��"� �����1����� ������������'� ���"�0���� ������ ��0� ����&��,� ��� ����� ��1� ���/��0� ������� �������������%'(�< ���������� ���� �"�������,� �,������ �������� ����������!��/��,����"������=��� �� � �"��"� ����/1��,������"��� �"�����5�"��"�� ����"�� ��(�*��� ���� ���/��"������/� ���"�0���� ����� ������ ��"�!���/������ ��������"� ������"�/���1�� �"�"���� �"/�����"�46&� �"�"�� �46&�� �##%'� �"� � �"�"��� ��"�� �0�*�6*���#.�'(�3����6��3����6��� �����"���8����>6?�����'� ��"/ �!� ,�� ��"/ �!� ,��� ����@�"�������(A�2(B('�� �����"����������@���C���� ��"�D�(�8������(A'��/��� �����&8

����3/��"��� �,��� ��"�D�(�%�#'���� �� ���D&�

����@� ��"�D�(�8����D&���(A'��D&�%��������

���� � �"��� ��"'����"�/����D?��@� ��"�D�(�%����D'���� ���/����B?���@� ��"�D�(�%����B'���������� ,����&%��@� ��"�D�(��%��(A'�� � �������� ,����&%�� � ���/����"�"�����"����3����@� ��"�D�(8�8�(E'�� � ��"�����!�"�����"����3E���@� ��"�D�(

��8�(�'�������"� ������"�0 ���0�� � �����0� ���� ���������/���1��� �����"�"���� �"/������� ����"�,F��"���G1������(���##�'(

* ��"��1� �� ����� ��� ������"�� ������ �"�"��0��46&���##%'�0���"������1�� ����H��/�������(��##�'�� ������� ������!�� �1 �"��������� ����0� ,���������!�����0� ���� ������"��� ��� ������ �"�"��� �� ����� �� �����0��(�3�����!����0��� �� �� � �������1��/�"�� ���������� ��1�"�� ������(�7��"�(�-��1:�� �����"��� �� ����������!�/�����(����(����1:�'(

3��� �� ������ ������ � ����� � � �"� �������/������� �����0������ ���!���������������&'��,� ����"� ���!���� � � ������ ����"����� �����"���� �0� � �����0����,� ,����0�� ��� �/�"��� ���!�"(�3����1�� �� ���� ���� ����� ��,�����!�"�0����� �������1� �����,� ��(

3��� ���� �� ������ ������0� ���� ���������� ���0���� ����� ���� �� ��� 1�!��� ���3���� ��� %� �"� 8(3���0�������1����� �"����� ����"������ �,����!���"+�����I�6�&�%�I��&�

��8+�D��I�����I�@1���I�B�(�3��"����� ����"������������ � ��0� ����� ��������0���� ��������(�3������"� ��� � � �������������� ��1��/�"�� ��������������0��� ��1��� ����1����@����������(���#.�'(F�� �������� ������� � �� �� ��"� �� ���� ����,����0��� ��� ����������������������� /� �"�0�����3��������8'(

��� �!��,� ��1�� �� �� � ����� �0� ��� ��� ����"���� �������"/�� �� �������� ,��0� � ���� ����� ��������� ���0���1�� �� �� � ������0� �����"������(J*/ ����0��� ��������"�� �$� ������%K,���( ��

#�������� ��������

�-