بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی تجربی پدیده ی برگشت شعله در محیط متخلخل سرامیکی
چکیده
در این مقاله چگونگی حرکت شعله در یک سرامیک متخلخل با سوخت گاز طبیعی به طور تجربی بررسی شده است. برای ردیابی شعله از ترموکوپلهایی در دیوارهی مشعل که در راستای محور مشعل قرارگرفتهاند، استفاده شده است. نتایج به صورت توزیع دمای دیواره در زمانهای مختلف ارائه شده است. در این آزمون ها دو حالت در روند حرکتی شعله مشاهده میشود. حالت اول، حرکت سریع شعله به سطح زیرین محیط متخلخل است ( با عنوان پرش شعله از محیط) و در حالت دوم پس از گذشت زمانی مشخص، شعله به تدریج در درون سرامیک نفوذ نموده و پس از طی مسیر کوتاهی در درون آن، به حالت زیر سطح در میآید (با عنوان عبور شعله از محیط). با انجام آزمایشهای متعدد وقوع هر یک از حالات فوق با تغییر عواملی همچون نسبت همارزی، نرخ آتش، چگای حفره و ضخامت محیط متخلخل بررسی شده است.
کلمات کلیدی
محیط متخلخل، احتراق، برگشت شعله، حرکت موج احتراق.
-1 مقدمه
فن آوری مشعلهای متخلخل با داشتن ویژگیهای برجستهای چون افزایش محدوده دینامیکی توان، کاهش تولید آلودگی، کاهش حجم دستگاه و کاهش تولید سر و صدا و غیره توانسته است که در بسیاری از شاخههای صنعتی همچون صنایع غذایی، نیروگاهها و سامانههای گرمایش مکانهای مسکونی و تجاری مورد استفاده و بهرهبرداری قرار گیرد .[10]
نحوه انتقال حرارت در مشعلهای معمولی از راه جابجایی است که توسط محصولات احتراق انجام میشود. در حالی که در مشعلهای متخلخل، علاوه بر جابجایی، مکانیزمهای هدایت و تابش نیز نقش عمدهای را در انتقال حرارت مشعل ایفا مینماید. اجسام متخلخل دارای ضریب هدایت حرارتی بالاتری نسبت به گازها هستند، بنابراین انتقال حرارت در خلاف جهت جریان مخلوط گاز از محصولات احتراق به مواد نسوخته میسر شده و منجر میشود تا دمای گاز بالادست (مخلوط نسوخته) به دمای اشتعال برسد. تابش حرارتی و بالا بودن ضریب هدایت حرارتی محیط متخلخل علاوه بر اینکه موجب افزایش انتقال حرارت از منطقه ی واکنش میشود، موجب کاهش دمای بیشینهی شعله نیز میشود. کاهش دمای شعله، کاهش تولید آلاینده NOx را در پی دارد 10] و .[11
بیشتر مواد و ترکیبات تشکیلدهنده محیط متخلخل در این مشعلها، سرامیکهای پایدار شده و یا الیاف فلزی هستند. مواد پایه سرامیکها اغلب شامل سیلیکون کرباید (SiC)، آلومینا Al2O3 و زیرکونیا (ZrO2) میباشد. جنس الیاف فلزی نیز از آلیاژهایی مانند آهن، کروم، آلومینیوم و یا آلیاژهای نیکل است که مقاومت بالایی در برابر اکسید شدن در دماهای بالا دارند .[11]
احتراق در محیطهای متخلخل به طور جدی از دهه 60 میلادی به بعد مورد توجه قرار گرفته است. ایجاد اغتشاش در جریان احتراقی، اختلاط بهتر سوخت و هوا و بهبود مکانیزم احتراق در شعلههای پیش مخلوط از اهداف اولیه بهکارگیری محیط متخلخل در احتراق است. البته بعدها مزایای فراوان آنها باعث شد تا تحقیقات وسیعتر و بیشتری در این زمینه انجام شود. بر اساس آزمایشهایی که توسط بابکین [12] انجام شد، استقرار شعله در داخل جسم متخلخل تنها زمانی میتواند صورت گیرد که عدد پکلت تصحیح شده بزرگتر از 65 باشد. عدد پکلت به صورت رابطه (1) تعریف میشود:
که در آن سرعت شعله آرام، قطر معادل حفرهها، cp ظرفیت گرمایی ویژه گاز، چگالی گاز و ضریب هدایت حرارتی گاز میباشد.
برنر و همکاران [7] روی شعلهی پایدار داخل محیط متخلخل به صورت عددی و آزمایشگاهی مطالعه نمودند. دستگاه آزمایشگاهی آنها یک مشعل 10kW با مقطع مستطیلی بود که توسط یک مبدل حرارتی در دیوارهی آن شعله را در محلی خاص پایدار مینمود . جنس محیط متخلخل پاییندست از ساختار لایهای Al2O3 و SiC بود. آنها پروفیل دما و میزان آلاینده ها را در مبدل بدست آوردند و با نتایج عددی مقایسه نمودند. نتایج آنها نشان میدهد که با کاهش نسبت همارزی رقیق، هم دمای گاز و هم دمای جامد کاهش مییابد. دیامانتیس و همکاران [8] شعلهی پیش مخلوط را در محیط متخلخل مدلسازی نمودند. مدل آنها ساختار شعله را در محیط تک لایه و دو لایه بررسی میکرد. نتایج نشان داد که در شعلهی پایدارشدهی سطحی، سرعت کمتر از سرعت شعلهی آرام است. در مقابل در شعلههای مدفون، سرعت شعله بیش از سرعت شعلهی آرام است. مین و همکاران [9] مطالعهای تئوری و تجربی در زمینهی احتراق در محیطهای متخلخل انجام دادند. آنها در این تحلیل از سرامیکهای لانه زنبوری استفاده نمودند این محیطها به صورت استوانهای و با قطر 7/6cm و طول 1/9cm و دارای تخلخل %75 بود و جنس آنها از منیزیم آلومینا سیلیکات بود. نتایج نشان میداد که بازهی شعلهپذیری و پایداری شعله در مقایسه با شعلهی آزاد بیشتر شده است. همچنین تحلیل عددی نشان میداد شعله در پایین دست جریان پایدار میشود اما به دلیل وجود تلفات حرارتی، آزمایش ها این رفتار را نشان نمیداد. همچنین در نسبت همارزی 0/49 و 0/66 سرعت شعلهی پایدار از سرعت شعلهی آرام بیشتر بود. وگل و الزی [10] پایداری شعله را در حالت زیر آدیاباتیک و فوق آدیاباتیک (هنگامی که سرعت شعله کمتر و بیشتر از سرعت شعله آرام باشد) در یک مشعل متخلخل دو قسمتی فلزی از آلیاژ آهن و کروم بررسی نمودند آنها در نسبت هم ارزی 0/7 هر دو نوع احتراق را دیدند در هر دو نوع، شعله در نزدیکی و یا بر روی فصل مشترک دو محیط تشکیل شده است. در نسبتهای هم ارزی بالاتر از 0/7 فقط عملکرد زیر آدیاباتیک دیده میشود. همچنین حالت فوق آدیاباتیک را فقط در نسبت همارزی کمتر از 0/65 مشاهده نمودند.
محققان روسی در زمینه احتراق گذرای مشعلهای متخلخل تحقیقاتی را انجام دادهاند .[6] سیستمهای احتراق گذرا (توسط بابکین [6] به عنوان احتراق تصفیهای1 معرفی شد) بر تقسیم میشوند. در رژیم سرعت پایین انتقال حرارت زیادی بین گاز و جامد وجود دارد و موجب چرخش حرارت از محصولات داغ احتراق به واکنشدهنده های سرد میشود که منجر به احتراق فوق آدیاباتیک میشود. در سیستمهای احتراق گذرا پیچیدگی های فراوانی وجود دارد، زیرا حرکت ناحیه احتراقی نسبت به جامد بسته به اینکه حرکت موج احتراقی همسو یا غیر همسو با جریان گاز ورودی باشد اثر فوق آدیاباتیک را میتواند افزایش یا کاهش دهد. در جریان همسو، انتقال حرارت اضافی از جامد به بالا دست جریان گاز وجود دارد و اثر فوق آدیاباتیک افزایش مییابد .[11-13] نتایج عددی [14] نشان میدهد که تحت شرایط مخلوط رقیق، مهمترین عامل کنترلکننده موثر بر سرعت موج احتراقی، ظرفیت حرارتی محیط متخلخل است. از سوی دیگر، ظرفیت حرارتی محیط متخلخل اثر ضعیفی بر حداکثر درجه حرارت دارد. وابستگی ضعیف سرعت موج و حداکثر دما در انتقال حرارت همرفتی نیز توسط محاسبات عددی در این مرجع نشان داده شده است. از دست دادن گرما به محیط اطراف از طریق دیوارههای مشعل نیز در سرعت موج و حداکثر دما موثر هستند.
هاشمی و عطوف [1] اثر ضخامت و تخلخل را بر عملکرد مشعل تابشی متخلخل فلزی به صورت تجربی بررسی کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که افزایش نرخ آتش، موجب افزایش دمای سطح و کاهش ضخامت محیط، موجب افزایش دمای سطح میشود. هاشمی و همکاران [2] به بررسی نرخ آتش، چگالی حفره و نسبت همارزی بر محدودهی پایداری شعله در محیط متخلخل SiC پرداختند و به این نتیجه رسیدند که افزایش نرخ آتش، محدودهی پایداری شعله در داخل محیط متخلخل را کاهش میدهد. در مطالعهای دیگر، هاشمی و همکاران [3] اثر نرخ آتش و نسبت همارزی مخلوط ورودی را بر عملکرد مشعل متخلخل فلزی به طور تجربی مورد مطالعه قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که بالاترین راندمان تابشی در مشعل با سه لایه توری با شبکه ریز در کمترین نرخ آتش حاصل میشود.
در تحقیقات گذشته هاشمی و همکاران [1-3] و دیگر تحقیقات مرور شده، مسئله احتراق در محیط متخلخل به صورت پایدار بررسی شده است و بر اساس بررسی مولفین، تاکنون تحقیق تجربی در زمینه احتراق گذرا و بر اساس حرکت شعله با پایه سرعت انتشار موج احتراقی به رژیمهای مجزایی زمان از لحظه جرقه تا رسیدن به پایداری کامل شعله در محیط متخلخل انجام نشده است. با توجه به اهمیت شناخت حرکت شعله در مشعل متخلخل، در این تحقیق حرکت شعله داخل محیط متخلخل از سطح مشعل متخلخل تا حالت زیر سطح در دو چگالی حفره 4 ppc و 8 ppc در سه نسبت همارزی 0/65، 0/75 و 0/85 و نرخ آتش در محدوده 512-183kW/m2 و محیط متخلخل تک لایه و دو لایه مطالعه می شود. همچنین میزان نفوذ و سرعت نفوذ شعله داخل محیط متخلخل مورد بررسی قرار میگیرد.
-2 دستگاه آزمایش
دستگاه آزمایشی که برای این منظور ساخته شده است شامل قسمتهای مختلفی است. شکل (1 ) طرحواره دستگاه آزمایش را نشان میدهد. در این دستگاه از یک پیش مخلوط کن هوا و سوخت استفاده میشود. این قطعه به گونهای طراحی شده است که ابتدا هوای مصرفی از درون مجرا وارد شده و سپس گاز به آن اضافه میشود. همچنین یک پیچ تنظیم، مقدار دبی ورودی مخلوط سوخت و هوا به داخل محفظه احتراق را کنترل مینماید.
با توجه به دامنهی دبی های مورد استفاده، از دو عدد روتامتر مناسب برای اندازه گیری دبی هوا و گاز استفاده شده است. هوای مورد نیاز توسط کمپرسور تأمین میشود و گاز مصرفی، گاز طبیعی شهری است. برای تأمین هوا با فشار 1bar از یک رگلاتور تنظیم فشار استفاده میشود.
اندازه گیری دمای جانبی محیط متخلخل با استفاده از ترموکوپلهای نوع k انجام میشود. سر فلزی ترموکوپل با محیط متخلخل در تماس است. دمای ترموکوپلها به طور لحظهای توسط یک مبدل به رایانه منتقل شده و در آنجا نمایش داده شده و ذخیره میشود. در این آزمایش، متناسب با شکل محیطهای متخلخل و برای هم محور قرار گرفتن آنها، نگهدارندهای با مقاومت حرارتی بالا ساخته شده است و در سه طرف آن سوراخ هایی برای نصب ترموکوپل تعبیه شده است. برای تعیین موقعیت شعله و تغییرات آن، دما در هفت نقطه از محیط و دمای مخلوط سوخت ورودی اندازهگیری میشود. ترموکوپلها به فاصله 5mm از یکدیگر و دورتادور محیط قرار دارند و اولین ترموکوپل 3mm زیر نشیمنگاه محیط است. موقعیت نمای ترموکوپلها در شکل 2 نشان داده شده است.
-3 کمیتهای آزمایش
دبی گاز طبیعی، دبی هوای ورودی و چگالی حفره محیط سرامیکی عواملی هستند که در این آزمایش ها تغییر نمایند. ضخامت محیط متخلخل در طول آزمایش، ثابت است. در این تحقیق با توجه به اینکه آزمایشها بر حسب تغییر دبی جرمی سوخت و تنظیم دبی هوا هستند، بنابراین نتایج بر حسب نرخ آتش بیان میشوند. نرخ آتش بیانگر میزان انرژی شیمیایی سوخت بر واحد سطح بوده و از رابطه (1) بدست میآید.
A
در رابطهی (2)،
LHV ارزش حرارتی پایین سوخت، m f
دبی جرمی سوخت و A سطح مقطع مشعل است. سطح مقطع مشعل دستگاه مورد آزمایش 63cm2 می باشد.
عامل دیگری که در این جا مورد استفاده قرار می گیرد،
نسبت همارزی است و به صورت رابطه (3) تعریف میشود:
که در آن منظور از FAa نسبت سوخت به هوای واقعی که در واکنش حضور دارد بوده و منظور از FAs نسبت سوخت به هوای استوکیومتری است.
دو نوع فوم سرامیکی اکسید آلومینیوم و اکسید سیلیسیم استفاده شده در شکل (3 ) نشان داده شده است. درجهبندی محیطهای متخلخل اغلب بر اساس میزان تخلخل و یا اندازه ی متوسط حفرهها بیان میشود. میزان چگالی حفره این محیطها بر اساس ppc (حفره در سانتی متر) تعریف میشود که مقدار آن برای فومهای استفاده شده 4، 8 و 12 حفره در سانتی متر است.
(الف) اکسید آلومینیوم (ب) اکسید سیلیسیم
شکل :(3) فومهای سرامیکی استفاده شده
آزمایشها برای نسبت همارزی رقیق 0/65 تا 0/85 که در مشعلهای متخلخل استفاده می شود، انجام شده است که در هر نسبت همارزی، نرخ آتش بین مقادیر 182/9kW/m2 تا 512 kW/m2 متغیر است. بدین منظور دبی هوا و سوخت به گونهای تنظیم میشود که نسبت هم ارزی ثابت باشد. علت به کار گیری مشعلها در نسبت همارزی رقیق علاوه بر کامل بودن احتراق در این حالات، بالا بودن دمای احتراق در نسبتهای هم ارزی نزدیک به 1 است که موجب ذوب شدن محیط متخلخل میشود. لازم به ذکر است که حداکثر دمای قابل تحمل اکسید سیلیسیم 1650 درجه سلسیوس است.
-4 نتایج
پس از اینکه فوم سرامیکی اکسید سیلیسیم و ترموکوپلها در غلاف سرامیکی قرار داده شدند، شیرهای کنترل گاز و هوا برای نسبت همارزی و نرخ آتش معین با استفاده از روتامتر تنظیم میشوند. سپس جریان مخلوط سوخت و هوا جرقه زده میشود و دمای ترموکوپلها با زمان توسط رایانه ثبت می شود. طبق آزمایشهای انجام گرفته دیده شده است که قبل از اینکه شعله به زیر سطح محیط متخلخل نفوذ نماید دو حالت در روند حرکتی شعله قابل مشاهده است. در حالت اول، پس از راهاندازی،
با گداخته شدن نسبی سطح، شعله بدون اینکه به داخل محیط
ترموکوپلهایی صورت گرفته است که در راستای محوری مشعل
متخلخل نفوذ نماید به سرعت به زیر محیط متخلخل منتقل قرار گرفتهاند. شکل 4 این دو حالت را به صورت نمودار برای دو
میشود. این حالت عبور آنی شعله از محیط نامیده میشود. در چگالی حفره و نسبت هم ارزی و در نرخ آتش 366kW/m2
حالت دوم پس از گذشت زمانی مشخص، شعله به تدریج به نشان میدهد. اولین منحنی مربوط به زمان 5 ثانیه پس از زدن
درون سرامیک نفوذ نموده و پس از طی مسیری درون آن، به جرقه و آخرین منحنی نیز دمای محوری مشعل را درست قبل از
حالت زیر سطح در میآید. این حالت عبور تدریجی شعله از عبور کامل شعله نشان می دهد
محیط نامیده میشود. مشاهدهی این دو حالت توسط
