بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش برای ایجاد اختلاط بیشتر میان مواد واکنشدهنده در داخل محفظه احتراق، نازل چرخشی کننده جریان سوخت پیشنهاد دادهشده است. این نازل دارای پرههایی بر روی خود میباشد که با زاویه 30درجه از ابتدا تا انتهای نازل کشیده شدهاند. با قراردادن این نازل در ابتدای محفظه احتراق و عبور جریان سوخت از داخل این نازل، جریان حالت دورانی و چرخشی - به علت برخورد با پرههای دارای زاویه و گذر از فضای میان آنها - به خود گرفته و با این حالت وارد محفظه احتراق میگردد. چرخشی حرکت نمودن جریان سوخت در داخل محفظه احتراق سبب میشود که جریان متلاطمتر شده و اختلاط بیشتری با جریان هوا پیدا نمایند که این امر سبب افزایش کیفیت و بازدهی احتراق میشود. در این پژوهش و مقاله ضمن ارائه پیشنهاد استفاده از این نازل جهت افزایش بازدهی احتراق، به بیان مقایسه بین دو حالت احتراق - کوره در حالت داشتن نازل چرخشی کننده سوخت و نداشتن این نازل - پرداخته میشود تا با انجام این مقایسه مزیت استفاده از این نازل در افزایش کیفیت و بازدهی احتراق هرچه بهتر نمایان گردد.
کلمات کلیدی: نازل چرخشی کننده جریان سوخت، کوره احتراق، بازدهی احتراق، نرمافزار فلوئنت
.1 مقدمه
علیرغم تحقیقات وسیع در زمینه منابع انرژی های نو، احتراق به عنوان راه متداول تولید انرژی در بسیاری از صنایع اعم از کارخانه جات تولید فلزات، همچنان کاربرد دارد. در حال حاضر حدود 90درصد انرژی جهان از سوختهای فسیلی تأمین میشود و تحقیقات وسیعی برای توسعه مدل محفظهها و کورههای احتراق صورت میپذیرد تا به خواستهایی نظیر افزایش ظرفیت کوره، بهبود کارایی حرارتی، کاهش مصرف سوخت و کاهش آلودگیهای حاصل از احتراق پاسخ داده شود. همواره از بویلر بهعنوان قلب تپنده یک نیروگاه یاد میشود و قلب تپنده یک بویلر نیز فرآیند احتراق و مشعلهای آن میباشند. ازاینروست که عدم کارکرد مناسب مشعلها و احتراق نامناسب در آن، میتواند منجر به کاهش توان کل نیروگاه و آسیب رسیدن به سایر المانهای بویلر گردد.
با توجه به افزایش تقاضای سوختهای فسیلی و کاهش ذخایر آنها و بهمنظور کاهش سطح آلودگیهای ناشی از احتراق، بهبود سیستمهای احتراقی موردتوجه محققین قرارگرفته است. در این راستا استفاده از جریانهای چرخشی بهعنوان یک راهکار بهمنظور افزایش کیفیت احتراق مطرحشده است. چرخش با افزایش میزان اختلاط سوخت و هوا و ایجاد مؤلفهی شعاعی سرعت، سبب افزایش راندمان سیستم، کاهش آلایندههای زیستمحیطی و افزایش پایداری شعله و کوتاهی طول آن میشود. احتراق چرخشی بهگونهای از احتراق درون محفظهای گفته میشود که مواد واکنشدهنده قبل از ایجاد احتراق به سبب چرخش ایجادشده بهخوبی با یکدیگر مخلوط و ترکیب میگردند و این مخلوط شوندگی سبب افزایش بازدهی احتراق و کاهش اتلاف و هدر رفت سوخت ورودی به کوره میگردد.
چرخش مواد واکنشدهنده نهتنها میتواند برافزایش بازدهی احتراق اثر بگذارد، بلکه بر تشکیل NOx تولیدی نیز تأثیر میگذارد و تولید این آلاینده را در هنگام احتراق کاهش میدهد. ایده اولیه استفاده از جریانات چرخشی در داخل محفظههای احتراق جهت افزایش بازدهی و کیفیت احتراق و کاهش تولید آلاینده NOx بهوسیله بیر[1] در سال 1995پیشنهاد داده شد همچنین در سال2005 نتایج تحقیقات اشرول[2] نشان داد که فرآیندهای چرخشی کمک زیادی به اختلاط مواد احتراقی کرده و درنتیجه مواد آلاینده تولیدی مانند CO و NOx را بهطور چشمگیری کاهش میدهند. ساریو و همکاران[3] در سال 2007 تأثیر افزایش طول و قطر یک محفظه احتراق استوانهای را بر پارامترهای اصلی احتراق ازجمله دمای شعله و مقدار انرژی آزاد شونده از ورود مقدار معینی سوخت به داخل محفظه موردبررسی قراردادند، نتایج آنها نشان داد که افزایش طول محفظه احتراق و کاهش قطر آن سبب افزایش دمای شعله و افزایش انرژی حاصلشده از یک مقدار معین سوخت میشود. استراکی[4] در سال 2010 چهار مدل k-e standard، k-e RNG، k-omega standard و k-omega RNG را جهت شبیهسازی آشفتگی جریان احتراق در داخل یک کوره صنعتی موردبررسی قرارداد نتایج شبیهسازیهای انجامشده و مقایسه با نتایج تجربی، عملکرد مناسب مدل k-e RNG را در مدلسازی جریانات آشفته احتراق نمایان ساخت. کرمس و همکاران[5] در سال 2008 به بررسی پارامترهای احتراق سوخت متان و گازوئیل در داخل یک کوره صنعتی و از طریق شبیهسازی عددی پرداختند. نتایج آنها نشان داد احتراق سوخت گازوئیل حرارت و انرژی بیشتری نسبت به احتراق سوخت متان آزاد میکند اما مقدار تولید آلایندههای NO و CO و دوده در حالت استفاده از سوخت متان بسیار کمتر میباشند. عنبرسوز و همکاران[6] در سال1391 در پژوهشی به بررسی اثر قطر ذرات سوخت مایع بر راندمان احتراق و میزان تولید و انتشار آلایندههای اکسید ازت و دوده پرداختند بدین منظور ایشان با استفاده از هندسههای موجود از بویلر کوره نیروگاه توس، به شبیهسازی این کوره با استفاده از نرمافزارFLUENT پرداختند. نتایج این پژوهش که برای سوخت مایع انجام گرفت نشان داد که با کاهش قطر ذرات سوخت، راندمان احتراق و دمای ماکزیمم شعله بویلر افزایشیافته و میزان دوده کاهش مییابد. اصلانی و همکاران[7] در سال1390 اثر افزایش دبی هوا بر احتراق سوخت های مایع را بررسی نمودند و مشاهده کردند که با توجه به سنگین بودن سوختهای مایع و اختلاط ناقص این سوختها با جریان هوا، بیشینه دما و راندمان احتراق در دبی هوای بیشتر از مقدار استوکیومتری رخ میدهد. بردبار و همکاران[8] در سال 1395 به بررسی احتراق سوخت متان و جریان هوا در کوره طراحیشده شکل1 پرداختند در این سیستم احتراقی، جریان سوخت و جریان هوا بصورت مماس بر بدنه و بصورت شعاعی وارد فضای کوره شده و بهخوبی با یکدیگر مخلوط میگردند. نتایج بررسی نشان داده که این روش اختلاط، بهخوبی میتواند کیفیت و بازدهی احتراق را نسبت به احتراق در حالت ورود محوری جریانات سوخت و هوا به داخل کوره، افزایش دهد.
شکل -1 مدل و سیستم پیشنهادی بردبار جهت افزایش اختلاط مواد واکنشدهنده در داخل کوره
تاکنون جهت ایجاد چرخش مواد واکنشدهنده در داخل محفظههای احتراق و ایجاد احتراق چرخشی، 2مدل و روش ارائه گردیده است که این 2مدل در صنعت احتراق و نیروگاهها استفاده و کاربرد فراوانی دارند:
الف- هندسه کوره را طوری طراحی میکنند کهمعمولاً جریان سوخت از مرکز محفظه احتراق تزریق و جریان هوا از مجاری مماسی محفظه وارد میگردد این روش احتراق، سبب چرخش و افزایش اختلاط مواد واکنشدهنده و افزایش بازدهی احتراق میشود. در شکل2 مدل توضیح دادهشده نمایش دادهشده است. - همچنین در این مدل میتوان محل ورود جریان سوخت و جریان هوا را با یکدیگر تعویض نمود و جریان سوخت را بهصورت مماس بر بدنه وارد محفظه احتراق کرد. -
شکل -2 مدل استفاده شونده در احتراق صنعتی جهت ایجاد جریانات چرخشی و اختلاط بیشتر مواد واکنشدهنده
ب- از یک محفظه و یا یک کوره احتراق چرخنده استفاده میشود، این محفظه احتراق - عموماً استوانهای - با دوران و چرخش حول محور خود، سبب ترکیب شدن و اختلاط بیشتر مواد واکنشدهنده میشود. این نوع کوره دوران کننده و این نوع اختلاط مناسب برای سوختهای مایع میباشد. بهعبارتدیگر جریانات مواد واکنشدهنده - سوخت مایع و هوا - بدون هیچ چرخش و دورانی وارد فضای این کوره شده و سپس کوره و محفظه احتراق با دوران و چرخش حول محور خود سبب اختلاط و آمیختگی هرچه بیشتر مواد واکنشدهنده شده و بازدهی احتراق را به این نحو افزایش میدهد.
مدل مناسب دیگری که تاکنون ارائه نگردیده و در این پژوهش و مقاله موردبررسی و پیشنهاد قرارگرفته است، استفاده از یک نازل در ابتدای محفظه احتراق میباشد. با عبور جریان سوخت از داخل این نازل میتوان سوخت را بهصورت دوران کننده و چرخشی وارد محفظه احتراق نمود. چرخشی وارد نمودن جریان سوخت به داخل محفظه میتواند اختلاط مواد واکنشدهنده را افزایش داده و سبب پخش شدن مولکولهای سوخت برای رسیدن به اکسیژن موردنیاز جهت انجام واکنش گردد، از این طریق میتوان از هدر رفت و خروج سوخت محترق نشده از انتهای محفظه احتراق جلوگیری و بازدهی احتراق را بهبود بخشید. بر روی نازل موردنظر پرههایی قرارگرفته که در طول سطح نازل، تغییر مسیر و تغییر زاویهای به مقدار 30درجه در جهت پادساعتگرد میدهند. این نازل در ابتدای محفظه احتراق و محل ورود جریان سوخت قرارگرفته و جریان سوخت با عبور از داخل این نازل و برخورد با پرههای زاویهدار و گذر از فضای میان این پرهها، حالت
