بخشی از مقاله
چکیده
تأثیرات پیش گرم کردن هوا و تابش شعله بر میزان تولید آلاینده NOx حاصل از احتراق گاز طبیعی در یک محفظه احتراق استوانه ای شکل در حالت جریان پایدار با روش عددی مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. در این مطالعه جهت مدلسازی توربولانسی از مدل RNG k و نیز جهت مدلسازی احتراق از مدل مگنسن استفاده شده است. همچنین جهت در نظر گرفتن تاثیر تابش از مدل DO استفاده گردیده است. متان که بخش عمده تشکیل دهنده گاز طبیعی است به عنوان سوخت در این مقاله مورد بررسی قرار دارد. پس از تحلیل توسط نرم افزار نتایج عددی نشان می دهند پیش گرم کردن هوا باعث افزایش دمای حاصل از احتراق می گردد که این امر افزایش تولید NOx را در پی دارد. پدیده تابش موجب کاهش ماکزیمم دمای شعله و گرادیان توزیع دمای حاصله در محفظه احتراق می گردد که با توجه به وابستگی شدید تولید NOx به دما منجر به کاهش تولید NOx می شود.
واژه های کلیدی
پیش گرم کردن، تابش، احتراق، NOx، گاز طبیعی
مقدمه
در عصر حاضر آلودگی محیط زیست بیش از پیش م ورد توجه قرار گرفته است. آلاینده های حاصل از احتراق به عنوان خطری جدی برای محیط زیست به شمار می آیند. ترکیباتی چون اکسیدهای کربن، آلاینده های نیتروژنی، دوده و هیدروکربنهای نسوخته به عنوان آلاینده های اصلی محیط زیست بشمار می آیند. محتمل الوقوع بودن بحران انرژی در آینده، افزایش قیمت و کاهش منابع سوختهای فسیلی و همچنین آلاینده های سمی حاصل از احتراق آنها، محققین را به تحقیق در زمینه یافتن سوختهای جایگزین پاک و بدون آلایندگی مجبور ساخته است .[1] سوخت گاز طبیعی بدلیل خاصیت بالقوه ای که در تولید ناچیز آلاینده های حاصل از احتراق دارد به عنوان یک سوخت جایگزین مورد توجه قرار دارد.[2] در کشور ما نیز با توجه به وجود منابع فراوان گازی، جایگزینی سوختهای فسیلی رایج با سوخت گاز طبیعی مورد توجه قرار گرفته است که این امر علاوه بر داشتن صرفه اقتصادی، نقش تأثیر گذاری در حفاظت محیط زیست دارد. پژوهشگران در حال مطالعه و بررسی پارامترهای مؤثر و روشهای مختلف کاهش آلاینده های حاصل از احتراق گاز طبیعی می باشند. لی و همکارانش در سال 2008 میزان تولید مونوکسیدکربن و NOx حاصل از احتراق سوختهای گاز طبیعی و دی متیل اتر را در نسبتهای هم ارزی کوچکتر از یک مورد بررسی قرار دادند.[3]نتایج حاصله از آزمایشات ایشان حاکی از افزایش میزان تولید آلاینده های مذکور با افزایش نسبت هم ارزی می باشد.در سال 2010 عبدوالغفار و همکارانش در طی آزمایشات خود تاثیر نسبت هم ارزی را بر میزان تولید مونوکسیدکربن و NOx حاصل از احتراق سوختهای مختلف مورد بررسی قرار دادند.[4]نتایج آنها نشان می دهد که با بزرگتر از یک شدن نسبت هم ارزی میزان تولید مونوکسید کربن به صورت قابل توجه ای افزایش می یابد و همچنین در محدوده های نزدیک به یک شاهد تولید NOx بیشتری هستیم. چانگ و همکارانش در سال 2010 تاثیر غنی سازی هوای احتراق را با اکسیژن مورد بررسی قرار دادند .[5]نتایج آزمایشات آنها حاکی از آن است که افزایش اکسیژن هوای احتراق، موجب افزایش NOx می گردد. بررسی دیگر پژوهش های انجام شده نیز، توجه روزافزون محققین بر عوامل تأثیر گذار بر میزان آلاینده های حاصل از احتراق را آشکار می سازد.در مطالعه حاضر، به بررسی عددی تاثیر پیش گرم کردن هوا و نیز تابش که از پارامترهای مؤثر بر فرآیند احتراق و نیز تولید آلاینده های حاصله می باشند پرداخته شده است.
هندسه محفظه احتراق:
همانگونه که در شکل - 1 - نشان داده شده است محفظه احتراق به گونه ای طراحی شده است که هوا بصورت مماسی وارد شده و این امر موجب چرخش هوا و در نتیجه اختلاط بهتر سوخت و هوا می گردد. ابعاد و اندازه های هندسه مورد مطالعه و نیز مش بندی هندسه که از نوع چهار وجهی هرمی و دارای 9981 گره می باشد در شکل های ذیل نشان داده شده است.
شکل -1 شماتیکی از هندسه محفظه احتراق مورد مطالعه
شکل -2 مش بندی محفظه احتراق
-3 روش حل و مدلهای عددی:
جهت بررسی تأثیر پیش گرم کردن هوا بر میزان آلاینده های حاصل از احتراق، هوا به ترتیب و بصورت پیش گرم با دماهای 300،350،400،450،500،550،600 کلوین و با سرعت 25 متر بر ثانیه و سوخت نیز با دمای 300 کلوین و سرعت 20 متر بر ثانیه وارد محفظه احتراق می شوند. برای مطالعه اثر تابش نیز در حالتی که هوا با دمای 300 درجه کلوین وارد محفظه احتراق می شود و دمای دیواره کوره بصورت ثابت 300 درجه کلوین در نظر گرفته شده است، با فعال سازی مدل تابش DO به بررسی تاثیر تابش پرداخته می شود.
احتراق متان -هوا بصورت مکانیزم احتراق دو مرحله ای به شکل زیر در نظر گرفته شده است:[6]
بر مبنای مکانیزم ذکر شده در گام اول از اکسیداسیون متان ابتدا گاز منوکسید کربن و بخار آب تشکیل می گردد و سپس در گام دوم از اکسیداسیون منوکسید کربن، دی اکسید کربن تشکیل می گردد.
معادلات حاکم اساسی شامل پیوستگی، مومنتوم، انرژی، کمیتهای توربولنسی و بقای گونه ها را می توان در یک دستگاه مختصات استوانه ای بصورت ذیل بیان نمود:[7]
3-1 مدل سازی توربولنسی :
از مکانیزم زلدویچ برای تشکیل NOx حرارتی استفاده می شود. واکنشهای شیمیایی شداًی وابسته به دما که بوسیله زلدویچ بیان شده اند تعیین کننده میزان تولید NOxحرارتی می باشند. این واکنشهای شیمیایی بصورت ذیل بیان می شوند:
که ثابت نرخ هر یک از واکنشهای ذکر شده بصورت زیر است:[8]
که متغیر وابسته عمومی مانند مولفه های سرعت، فشار، آنتالپی، کسر جرمی گونه های شیمیایی و انرژی جنبشی توربولنسی و نرخ اضمحلال آن - - , k می باشد و نیز و و S و S , p به ترتیب نشان دهنده چگالی، ضریب پخش،جمله چشمه متناظر با و فاز ذره می باشند.[7]
چشمگیر است و تشکیل واقعی آن شامل واکنشهای بسیار پیچیده و به همراه ذرات میانی بسیاری است که نمونه ای از واکنشهای تشکیل آن در ذیل بیان شده است:
-4بحث و بررسی نتایج :
4-1 تاثیر پیش گرم کردن هوا بر تولید : NOx
در ابتدا به ارائه نتایج حاصل از پیش گرم کردن هوا پرداخته شده است.در شکل - - 3 کانتورهای دما برای صفحه ای در امتداد محور محفظه احترق بصورت نمونه، برای دماهای هوا ورودی 300 و 450 و 600 کلوین نشان داده شده است.
شکل - : - 3کانتور توزیع دما در دماهای مختلف
همانگونه که در شکل - 3 - مشاهده می شود با افزایش دمای هوای ورودی ، ناحیه دما بالا در داخل محفظه احتراق گسترش بیشتری پیدا می کندو همچنین شاهد توزیع دمای یکنواخت تری در محفظه احتراق می باشیم. در شکل شماره - 4 - نمودار تغییرات ماکزیمم دمای محفظه احتراق بر حسب دمای هوای ورودی به محفظه نشان داده شده است.
شکل : - 4 - نمودار تغییرات ماکزیمم دمای محفظه بر حسب دمای
هوای ورودی
همانطور که انتظار می رفت و در شکل شماره - 4 - نشان داده شده است، افزایش دمای هوای ورودی به محفظه احتراق باعث افزایش ماکزیمم دمای حاصل از احتراق می گردد. در شکل شماره - 5 - کسر جرمی NOx تولیدی در امتداد خط محوری محفظه احتراق در سه مورد دماهای هوا ورودی 300 و 450 و 600 کلوین نشان داده شده است.
شکل : - 5 - کسر جرمی NOx تولیدی در امتداد خط محوری محفظه در
دمای هوای ورودی 300و450و600کلوین
با توجه به نمودار شکل - 5 - می توان بیان نمود که افزایش دمای هوای ورودی به محفظه احتراق موجب افزایش میزان NOx تولیدی و نیز موجب افزایش گرادیان توزیع NOx در طول محفظه احتراق
