بخشی از مقاله
چکیده
یکی از راههای کاهش آلودگی و کاهش هزینه سوخت موتورها میتواند جایگزین کردن سوخت بنزین با مخلوط گاز طبیعی - هیدوژن میباشد جهت نیل به این هدف اطلاعات کافی در خصوص مشخصات سرعت سوختن مخلوطی ضروری است. سرعت سوختن آرام یک سوخت از خواص بنیادی آن تلقی میشود و نقش حیاتی در طراحی موتور و شبیه سازی احتراق آشفته ایفا میکند.
با تعیین سرعت سوختن آرام دانش پایه برای بررسیهای تئوری فراهم میشود. در اینجا هدف بررسی تاثیر افزودن هیدروژن به گاز طبیعی روی سرعت سوختن مخلوط در قالب تهیهی فرمول همبستگی سرعت سوختن بر حسب فشار، دما، نسبت همارزی و درصد هیدروژن است. از این فرمول میتوان برای تعیین سرعت سوختن متلاطم درون موتور استفاده کرد. سرعت سوختن متلاطم تابعی از سرعت سوختن آرام، شدت تلاطم و مقیاس طولی تلاطم میباشدو همچنین سرعت سوختن آرام را که یک خاصیت ترموشیمیایی است، میتوان تابعی از فشار، دما، نسبت هم ارزی و نوع سوخت در نظر گرفت.
بمب حرارتی، ترانسدیوسر فشار، ترموکوپل و تجهیزات دیگر آزمایشگاهی جهت ثبت فشار داخل بمب به کار گرفته شده است، با آنالیز دادههای فشار به سرعت سوختن ورقهای در نسبت هم ارزیهای 0/9 و 0/85 برای درصدهای جرمی 100، 85 و صفر گاز طبیعی در مخلوط گاز طبیعی - هیدروژن - هوا بدست میآید. از دادههای بدست آمده برای فشار دما و سرعت سوختن معادله همبستگی بررسی و ارائه شده است.
-1 مقدمه
با توجه به افزایش چشمگیر قیمت نفت خام و بنزین در سالهای اخیر و صرف شدن مقدار قابل توجهی از بودجهی کشور به خرید بنزین و گازوئیل و حذف شدن یارانهها در کشور و رو به اتمام بودن این سوخت در آینده نه چندان دور و افزایش نگرانی در ارتباط با آلودگی محیط زیست، نظر عموم محققین به یافتن سوختهای جایگزین مناسب جلب شده است.
سالانه مبالغ هنگفت یارانه به حاملهای انرژی در کشور اختصاص مییابد. در میان بخشهای مختلف، بخش حمل و نقل بیشترین مقدار را به خود اختصاص داده است. استفاده از اهرم افزایش قیمت بنزین برای کاهش مصرف بنزین، منطقی و به صرفه نیست. بهترین راهحل برای این مسئله، با توجه به اینکه بنزین و گازوئیل در آینده نه چندان دور رو به اتمام هستند و افزایش نگرانی در ارتباط با آلودگی محیط زیست، نظر عموم محققین به یافتن سوختهای جایگزین مناسب جلب شده است.
با توجه به اینکه کشور ما رتبه دوم صادرات گاز طبیعی در جهان را داراست و استفاده از گاز طبیعی در بخش حمل و نقل، نه تنها باعث کاهش مصرف فرآوردههای نفتی و همچنین کاهش واردات میشود، بلکه به دلیل سقف صادرات نفت و فرآوردههای آن موجب افزایش صادرات و درآمد ارزی کشور نیز میشود. زیرا کل تولید نفت خام کشور عدد محدودی است که توسط اوپک تعیین میشود. از این رو هرچقدر مصرف داخل در کشور بالا رود، توان صادرات و درآمد ارزی آن کاهش مییابد، از این رو موضوع استفاده از گاز طبیعی به عنوان جایگزین بنزین در خودرو و تولید برق در دو دهه اخیر جدی شده است.
در این بین باید به این نکته توجه داشت که استفاده از گاز طبیعی که سرعت شعله پایینی دارد مشکلاتی همچون راندمان کم، هیدروکربنهای نسوخته و تولید گازهای گلخانهای را به همراه دارد که سبب تشدید مشکلاتی از قبیل گرم شدن کره زمین و آلودگی محیط زیست میشود.
حال از طرفی هیدروژن حامل انرژی است که میتوان آن را ذخیره کرد و در زمان نیاز از آن استفاده نمود. در این صورت این منبع انرژی همیشه در دسترس کاربر خواهد بود، هیدروژن به عنوان سوخت پاک نام گرفته و تولید CO/CO2 نمیکند و سرعت شعلهای تقریباً هفت برابر گاز طبیعی دارد. ولی استفاده از آن مشکلاتی همچون هزینه بالا، ایمنی پایین، محدوده اشتعال زیاد و ارزش حرارتی پایین را به همراه دارد که سبب میشود جایگزین مناسبی محسوب نشود. حال با افزودن هیدروژن به مخلوط گاز طبیعی و هوا انتظار میرود با بالا بردن سرعت سوختن گاز طبیعی جایگزینی مناسبی به دست آید تا آلودگی پایین و کارایی مناسب را به ما عرضه کند.
برای اندازه گیری سرعت سوختن در بمب حرارتی دو روش مورد استفاده محققین قرار گرفته روش اول: ثبت فشار که توسط محققهایی همچون عبدی اقدم[1] 1، زوهوا هوانگ2 و همکاران [2] و هرمانس3 و همکاران [3] به کار گرفته شده است. روش دوم : عکسبرداری شیلیرن که توسط محققهایی همچون نیکولا داناهو4 و همکاران[4]، هایان میائو5 و همکاران [5] شیزو ژنگ6 و همکاران [6] به کار گرفته شده است.
-2 تجهیزات استفاده شده
تجهیزات به کار رفته برای استحصال نتایج شامل بر : یک بمب کروی فولادی، ترانسدیوسر فشار دینامیک نوع کیسلر مدل 6052 با قابلیت ثبت فشار تا 200 بار و تحمل حداکثر دمای 400 درجه سانتی گراد، ترانسدیوسر فشار مطلق نوع کیسلر مدل 4005 با قابلیت ثبت تا فشار 20 بار، انژکتور برای تزریق گاز طبیعی و یک ترموکوپل نوع k بوده است. برای رسیدن به نسبت هم ارزی و مقدار گاز استفاده شده از یک سیلندر خلا ساز دستی با کورس 25 سانتی متر و قطر 5 سانتی متر استفاده شده است.احتراق مخلوط توسط یک سیستم جرقه-زنی مبتنی بر جریان مستقیم و یک کویل صورت میگیرد .توجه شود که انرژیجرقه ایجاد شده باید بیش از مقدار حداقل انرژی مورد نیاز برای احتراق بنزین یا گاز طبیعی خالص باشد.
شکل-1 نمودار شماتیک بمب احتراقی
با توجه به شکل 1، در ابتدای آزمایش بمب کروی توسط هوای فشرده تمیزکاری میشود، برای اختلاط کامل در طی این مرحله به دفعات مسیر ورودی هوا باز و بسته میشود تا تلاطم کافی در محفظه ایجاد شود، همچنین امتداد ورودی و خروجی به نحوی طراحی شده که امکان خروج مستقیم هوا از ورودی بدون چرخش در داخل بمب ممکن نبود. سپس شیر هوای ورودی و خروجی بسته و محفظه به وسیله سیلندر خلاساز تا فشار 0/4 بار تخلیه شد. پس از آن شیر گاز طبیعی به خط ورودی و قبل از انژکتور متصل و تا فشار بار بالا برده میشود تا فشار پشت انژکتور به 3/5 بار برسد و با استفاده از انژکتور و تنظیم آن با توجه به پالس پاششی که متناسب با زمان باز بودن سوزن انژکتور تنظیم شده مقدار مورد نیاز گاز طبیعی به بمب تزریق میشود.
سپس مقدار فشار مطلق داخل بمب ثبت شده و با یافتن مقدار دقیق گاز طبیعی که وارد بمب شده است و متناسب با درصد حجمی مورد نظر با اسفاده از نمایشگر که فشار مطلق را در آن واحد نشان می دهد مقدار هیدروژن لازم با باز و بسته کردن شیر ورودی هیدروژن به بمب تزریق میشود و مجدداً مقدار فشار مطلق ضبط شده و مقدار هیروژن وارد شده را به دست آورده و مقدار دقیق تری از درصد حجمی به دست میآید که اگر خطای دو مرحله بیشتر از نیم درصد حجمی باشد بمب تخلیه میگردد تا بهدقت مورد نظر برسیم
در ادامه روند و با توجه به مجموع گازهای وارد شده و هوای اولیه موجود در بمب مقداری هوا با باز و بسته کردن ورودی کمپرسور به آن اضافه گردیده و با بدست آوردن فشار مطلق جدید مقدار نسبت هم ارزی دقیق به دست آمده و سپس تمامی شیرهای متصل به بمب بسته شده و همراه با ضبط تغییرات فشار جرقه زده شده و تغییرات فشار با فرکانس 80 هزار داده در ثانیه در مدت انفجار ذخیره شده است. البته در تمامی این مراحل دمای 358 کلوین نگه داشته شده. ترکیب-های موجود در گاز شهری اردبیل با توجه به آنالیز در جدول 1 آمده است:
جدول-1 ترکیبهای موجود در گاز طبیعی
