بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
آناليز کاهش توليد NOx در محفظه احتراق با سوخت گازي به کمک پاشش آب
چکيده
امروزه، تلاشهاي زيادي در جهت کاهش نشر NOx توربين هاي گازي صورت مي گيرد. نشر NOx به شدت به دماي شعله بستگي دارد. تزريق آب يا بخار دماي پيک را کاهش مي دهد و به دنبال آن نشر NOx هم کم مي شود. در اين مقاله ، بعد از مدلسازي محفظة احتراق موردنظر، بخار با نسبت هاي بخار به سوخت ٠.٥ و ١ به محفظه پاشيده شده تا اثر آن روي کاهش نشر NOx بررسي شود. از نرمافزار فلوئنت (FLUENT) براي حل ميدان جريان استفاده شده است . با پاشش بخار مشاهده شده که NOx به طور چشمگيري کاهش يافته ، اما نشر CO افزايش يافته است .
واژههاي کليدي: محفظه احتراق، NOx ، تحليل جريان، پاشش بخار يا آب
مقدمه
از زمان شروع به کار اولـين تـوربين گـاز، تـلاش در جهـت کاهش نشر آلاينده آن آغاز شده و روشهاي زيادي تاکنون ابداع شده است . يکي از اين روشها پاشش آب يا بخـار بـه محفظه احتراق است ، که سالهاي زيادي است از آن استفاده مي شود. شواهد نشان داده است ، کـه مقـدار کـاهش NOx نسبت به جرم آب يا بخـار تزريـق شـده بـه جـرم سـوخت بستگي زيادي دارد. اين مسئله توسـط شـاو (Shaw) [١]، اشتر(Schetter) [٢] نشان داده شده است . لـوير(Liever) [٣] با استفاده از تحليل CFD کاهش NOx را با اسـتفاده از پاشش آب بررسي کرده و نشان داده است ، که با افـزايش پاشش آب يا بخار NOx را تا ٩٤ درصـد مـي تـوان کـاهش داد، ولي نشر CO به شدت افزايش مي يابد.
NOx در محفظــه احتــراق تــوربين گــاز بــا اســتفاده از روش NOx سوختي و NOx حرارتـي تـشکيل مـي شـود. NOx سوختي زماني کـه نيتـروژن موجـود در سـوخت بـا اکسيژن واکنش مي دهد، تشکيل مي شود. NOx سوختي را مـي تـوان بـا کـاهش مقـدار نيتـروژن موجـود در سـوخت (استفاده ازسـوخت هـاي حـاوي نيتـروژن کـم ، ماننـد گـاز طبيعي ) يا با کاهش اکسيژن در دسترس در ناحيه احتراقي کنترل کرد. NOx حرارتي هم زماني که نيتروژن موجود در هوا با اکسيژن واکنش مي دهد (در نواحي دما بالا) تـشکيل مي شود، که با کاهش اکسيژن موجود در ناحيه احتراقي يـا کاهش دماي ناحيه احتراقي کاهش مي يابد. با پاشش آب يا بخار به محفظـه احتـراق، آب هماننـد چـاه حرارتـي عمـل مي کند و با جذب گرمـاي ناحيـه واکـنش ، دمـا را کـاهش مي دهد. با کاهش دما نشر NOx کم مي شود.
در اين مطالعه ، به محفظه احتراق مدل شده، بخار تزريق مي شود. بخار با نسبت هاي بخار به سوخت ٠.٥ و ١ وارد محفظه مي شود، تا اثر پاشش بخار بر کاهش NOx با مقايسه حالت هاي بدون پاشش بخار و با پاشش بخار بررسي شود.
معادلات حاکم بر جريان
به منظور تحليل عددي مدل موردنظر، نياز به حل معادلات متوسط زماني ممنتم ، پيوستگي ، انرژي و حالت است [٤]:
پيوستگي :
ممنتم :
وجود ترمهاي آشفتگي در معادلات نياز به مدلسازي آشفتگي جريان را آشکار مي سازد. اين تنش ها توسط مدلهاي مختلف آشفتگي مدل مي شوند.
انرژي:
مععداددليه احسالت ت که گازارتکبامطل بيهن م چجگزاءلي معوددلاماتيمگواثزر ردا رم تحدلهيدل :
معادله حالت :
به منظور بستن معادلات ناوير - استوکس ، مدل توربولانس مناسب نياز است ، که در اين تحقيق از مدل ، الگوريتم RNG استفاده شده است ، که به شکل زير ارائه مي شود [٥]:
انرژي جنبشي آشفتگي :
نرخ استهلاک:
اثر متقابل توربولانس و واکنش شيميايي با روش dissipation eddy مدل شده است [٦] که در اين مدل
نرخ واکنش i ام مينيمم عبارتهاي زير است :
واکنش هاي به کار رفته براي سوخت متان به صورت دو مرحله اي است :
براي محاسبه ميزان نشر NOX، فلوئنت يک معادله انتقال براي غلظت NO نيز حل مي کند. فلوئنت ، علاوه بر اين معادله انتقال، براي NOX سوختي نيز، يک معادله انتقال اضافي براي اجزاء واسطه HCN يا NH3 (
بسته به نوع سوخت ) حل مي کند. معادلات انتقال NOX بر پايه هاي دادههاي جريان حل شده، حل مي شود [٧].
به عبارت ديگر NOX
يک پس پردازنده از جريان شبيه سازي شده است ، که حل دقيق و درست جريان احتراقي براي محاسبه مقدار NOX بسيار اهميت دارد.
معادله انتقال جرم براي NO به صورت زير نوشته مي شود، که شامل عبارتهاي جابجايي نفوذي، توليد و مصرف NO و اجزاي مربوطه است [٧]:
yNO نسبت جرمي در فاز گازي است . SNO هم تـرم چـشمه (source term) اسـت ، کـه بـراي مکـانيزمهـاي مختلـف تـشکيل NOX محاسـبه مـي شـود. نـرخ تـشکيل NOx بـا اسـتفاده از واکـنش هـاي زلـدويچ (Zeldovich) محاســبه مي شود:
با فرض اينکه نرخ مصرف اتم هاي آزاد نيتروژن مساوي نـرخ توليد آن است ، غلظت NO از رابطه زير به دست مي آيد:
تنها به غلظت O و OH نياز است تا غلظت NO بدست آيد. فلوئنت به چند روش غلظت اين اجزاء را به دسـت مـي آورد. براي مطالعه بيشتر به مرجع [٧] رجوع شود.
هندسه و شرايط مسئله
شکل هندسي محفظه احتراق موردنظر در شکل (١) نشان داده شده است . طول محفظه ٠.٨ متر و قطر آن ٠.٢ متر است . قطر مجراي ورودي سوخت ٠.٠٠٥ متر است . هوا هم از مجرايي با قطر خارجي ٠.٠١١٥ متر و قطر داخلي ٠.٠٠٥ وارد محفظه مي شود.
در ساختن شبکه براي تحليل جريان، از نرمافزار گمبيت (Gambit) نسخه ١،١،٢ استفاده شده است .
شکل (٢) شبکه بندي محفظه را نشان مي دهد. هندسه موردنظر براي شبکه بندي به دو ناحيه تقسيم شده است . در واقع چون در کار تجربي ، توزيع شعاعي نتايج در ٠.١ = x متر داده شده است ، نياز به تعريف خطي در ٠.١ = x با شرط مرزي interior مشاهده شده است تا توزيع پارامترها به صورت شعاعي براي مقايسه بر روي اين خط نشان داده شود. شبکه استفاده شده در جهت طولي ، عرضي و زاويه اي ١٢٠*٤٠*٥٠ است . مسئله با تعداد شبکه هاي بيشتر هم حل شده است (١٤٠٥٠*٥٠)، ولي تغيير چنداني در حل ديده نشده است که اين موضوع مستقل بودن حل از شبکه را نشان مي دهد.
شکل ٢- شبکه محا
براي گسسته سازي عبارت هاي جابجايي معادلات حاکم از طرح بالادستي مرتبه اول و براي تصحيح ميدان فشار از الگوريتم سيمپل استفاده شده است [٤].
روش حل عددي بر پايه حجم محدود و شرايط دايمي است [٤]. در ورودي سوخت و هوا و بخار، شرط مرزي سرعت ورودي و در خروجي از محفظه هم ، شرط مرزي فشار ثابت استفاده شده است . سرعت سوخت در ورود به محفظه ٥٤ متر بر ثانيه و سرعت هوا ٢١ متر بر ثانيه است . دماي سوخت و هوا در ورود ٣٠٠ کلوين است و فشار اتمسفريک است . براي ديواره بالا از شرط انتقال حرارت تابشي و جابجايي (mixed) استفاده شده است . خط مرکزي محور تقارن درنظرگرفته شده است . براي شروع واکنش هاي شيميايي دماي اوليه را ٢٠٠٠ کلوين درنظر مي گيريم که به اين ترتيب جرقه مدل مي شود [٧].
