بخشی از مقاله
چکیده
یک شعله ی یک بعدی برای تحلیل انتقال حرارت در محفظه احتراق بسیار کوچک - micro combustor - به کار گرفته شد. اثرات پارامترهایی نظیر نوع سوخت و اندازه ی محفظه، بر روی دو نسبت، یکی نسبت اتلاف حرارت - نسبت حرارت تلف شده به حرارت تولید شده - و دیگری نسبت گردش حرارتی - heat recirculation ratio - - نسبت حرارت بازخورد داده شده به بالادست به حرارت تلف شده - بررسی شدنتایج. نشان دادند که این پارامترها اثرات مهمّی بر روی دو نسبت ذکر شده در بالا دارند و بنابراین بایستی به منظور به دست آوردن احتراقی مؤثّر و پایدار، این پارامتر ها با دقّت مورد بررسی واقع گردند.
با تمرکز بر انتقال حرارت از ناحیه ی شعله، روابط انتقال حرارت در این ناحیه نوشته شد و نتایج برای سوخت ابر ذرّات چوب - wood particle-cloud - ذرّات - بسیار ریز چوب معلّق در هوا - بررسی و با سه سوخت دیگر مقایسه شد و نتیجه گرفته شد که این سوخت، تفاوت قابل توجّهی با سایر سوخت های متداول دارد.
مقدّمه
گسترش استفاده از تجهیزات میکرو الکترو-مکانیکی - MEMS - ، سبب گسترش نسل جدیدی از منابع تولید توان با حجم کوچکتر و چگالی انرژی بالاتر شده است
کاربرد های مهمّ این مسئله در تجهیزاتی از قبیل میکرو توربین گاز ]ٍ[، تجهیزات میکرو ترموالکتریک ] - micro thermoelectric - َ[، سیستم های ترموفوتوولتاییک ] - thermo-photovoltaic - ُ[، تولید نیروی پیشرانش در پیکو و نانو-ماهواره ها و عزم پژوهشگران برای جایگزینی این سیستم ها به جای باتری های الکترو-شیمیایی معمول، تلاش بسیاری از دانشمندان را به خود معطوف کرده است.
نحوه ی تولید توان الکتریکی از احتراق در سیستم های میکرو الکترو-مکانیکی بدین صورت می باشد که گرما یا تابش حاصل از احتراق توسّط المنت های ترموالکتریکی یا ترموفوتوولتاییکی به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد سوخت های هیدروکربنی در مقایسه با باتری های یون لیتیم - به عنوان یکی از منابع تولید توان میکرو - حاوی حدود برابر انرژی دریک واحد جرم برابر، می باشند. بنابراین تجهیزاتی که سوخت را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند، با راندمان بیشتر از یک درصد تبدیل انرژی از شیمیایی به الکتریکی، بهتر از باتری های الکتریکی متداول امروزی می باشند
در اندازه های کوچک، اتلافات حرارتی و اصطکاک، پدیده های مهم و تأثیر گذاری می شوندبنابراین. طرّاحی تجهیزات با اندازه های بسیار کوچک، بر مبنای تجهیزات با اندازه های معمول، نظیر موتورهای احتراق داخلی، ممکن نیست. از این رو در این سیستم ها بایستی از پدیده ی گردش حرارتی استفاده گردد که در آن با انتقال انرژی حرارتی از محصولات احتراق به واکنش دهنده ها، آنتالپی کلّ واکنش دهنده ها - مجموع آنتالپی حرارتی و شیمیایی - از آنتالپی واکنش دهنده های سرد، بیشتر است. بنابراین به کمک گردش حرارتی می توان احتراق را تحت شرایطی، نظیر مخلوط های رقیق، سوخت های با ارزش حرارتی پایین، اتلافات حرارتی زیاد وغیره، که منجر به محو شعله - extinguishment - می شوند، حفظ نمود
منابع سوخت فسیلی محدود و رو به زوال، و نیز آلودگی های حاصل از سوزاندن این منابع با ارزش، انگیزشی در دست اندرکاران بخش انرژی در کشورهای توسعه یافته برای جایگزینی این منابع با منابعی تجدیدپذیر و سازگار با محیط زیست، ایجاد نموده استیکی. از بزرگترین منابع غیر فسیلی، زیست توده می باشد که از ابتدای پیدایش بشریّت تا کنون، همواره نقش به سزایی را در زندگی او ایفا نموده است.
به دلیل اینکه زیست توده در فاز جامد و زاییده ی طبیعت است، در شکل ها و اندازه های متنوّعی یافت می شود و همین امر سبب ایجاد چالش در جایگزینی این منابع با منابع فسیلی می گرددیک. راهکار برای حلّ این مشکل، خردایش زیست توده تا اندازه های بسیار کوچک و معلّق کردن آنها در هواست، به نحوی که تشکیل یک ابر ذرّات جامد بدهد. بدین ترتیب به یک مخلوط گازی شکل سوخت و اکسید کننده نزدیک می شوددر. این صورت، انتشار شعله در این ابر ذرّات، قابل قیاس با انتشار شعله در یک گاز واکنش دهنده ی پیش مخلوط - premixed - می باشد
در این مقاله، به بررسی نحوه ی انتقال حرارت و اثرات آن در یک محفظه احتراق بسیار کوچک که سوخت درون آن، ابر ذرّات چوب می باشد، می پردازیموجه. تمایز این کار پژوهشی با کارهای مشابه در این است که در اینجا ما ابر ذرّات چوب را به عنوان سوخت در یک محفظه احتراق بسیار کوچک استوانه ای، به کار گرفته ایم و اثرات گردش حرارتی و اتلاف حرارت را بررسی نموده ایم.
مدل شعله
رخداد انتقال حرارت در محفظه احتراق، عامل مهمّی در تعیین راندمان احتراق و پایداری شعله است. ناحیه ی شعله، بدین علّت که حجم زیادی از انرژی در این ناحیه ی باریک آزاد می شود و سبب ایجاد یک کوپلینگ حرارتی قوی بین گازهای حاصل از احتراق و جداره ی سازه می گردد، بسیار مورد توجّه است
آزمایشات تجربی نشان داده که خاموشی شعله زمانی رخ می دهد که نسبت حرارت تلف شده به حرارت تولید شده، به درصد می رسد
در اندازه های بزرگ معمول، این نسبت تقریباً ناچیز است، امّا در اندازه های بسیار کوچک، بخش مهمّی از حرارت تولید شده، تلف می گردد
یک مدل ساده ی شعله ی یک بعدی، برای تحلیل اتلاف حرارت شعله ی پیش مخلوط ابر ذرّات چوب، در یک محفظه احتراق بسیار کوچک استوانه ای، مورد استفاده قرار می گیرد. در شکل - ٌ - حجم کنترل ناحیه ی شعله به صورت شماتیکی نشان داده شده است.
شکل شماتیک حجم کنترل ناحیه ی شعله
خط چین دمای گاز را نشان می دهد. فرض می کنیم که تمامی واکنش های شیمیایی در ناحیه ی شعله رخ می دهند. به منظور تمرکز بر انتقال حرارت از ناحیه ی شعله، فرض های زیر در نظر گرفته شدند: ٌ- اثر دوفور وجود ندارد
از انتقال حرارت تشعشعی صرفنظر می شود نیروهای ویسکوز و فشار، کاری انجام نمی دهند
جداره خنثی است، یعنی گونه های شیمیایی را جذب یا دفع نمی کند. ِ- حالت پایا داریم.
موادّ واکنش دهنده با سرعتی برابر با سرعت ورودی U - که برابر با سرعت شعله S است - جریان می یابند. یک شعله ی صفحه ای پایدار، در فاصله ی خاصّی از صفحه ی ورودی، داخل محفظه تشکیل می گردد. ناحیه ی انتخاب شده، در مرکز صفحه قرار دارد، جایی که دما Ti می باشد. r ضخامت ناحیه ی واکنش است. معادلاتی که در این قسمت آورده می شوند، بر مبنای معادلات هستند. حرارت ورودی به صورت زیر بیان می شود:
که در آن r شعاع داخلی محفظه احتراق، u چگالی مواد واکنش دهنده، Su سرعت شعله ی آرام، Cp ظرفیت حرارتی گاز، دمای آدیاباتیک شعله و Tuدمای موادّ واکنش دهنده می باشد.
حرارت مبادله شده بین شعله و دیواره به صورت زیر است:
که در آن h ضریب انتقال حرارت جابجایی از شعله به جداره ی داخلی محفظه ی احتراق، Txدمای گاز در هر موقعیّت Twi,xدمای جداره ی داخلی محفظه احتراق در هر موقعیّت x می باشد.
رابطه ی فوق را بر حجم ناحیه ی واکنش تقسیم می کنیم:
در ناحیه ی واکنش دما از دمای آغازش احتراق Ti ، به دمای شعله Tf می رسدیک. فرض این است که توزیع دما خطّی است. این فرض از مراجع ]ٌُ[ و ]ٌِ[ اقتباس شده است که سرعت شعله ی آرام را محاسبه کرده اند. بنابراین شار حرارتی در جهت محوری به صورت زیر می شود
