بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر، عملکرد یک پنل تشعشعی کاتالیستی به صورت تجربی و در شرایط مختلف آب و هوایی مورد ارزیابی قرار گرفته است. احتراق کاتالیستی دما پایین و بدون شعله به عنوان مهمترین ویژگی این پنلها قلمداد میشود. دمای پانِیی احتراق کاتالیستی، موجب کارکرد آنها بدون تولید آلایندههای زیست محیطی نظیر NOx شده و منجر به تولید حرارتی پاک و ایمن میگردد. همچنین وجه تمایز پنلهای تشعشعی با سایر سیستمهای گرمایشی، وجود فرآیند گرمایش تابشی بدون حضور شعله و ناشی از احتراق گاز طبیعی بر روی کاتالیست فلزات نجیب میباشد. در تحقیق حاضر، پس از تامین یک نمونه تجاری از این پنلها، عملکرد آن با طراحی و ساخت یک دستگاه تست با قابلیت اندازه گیری پارامترهایی نظیر دمای سطح و عمق پنل، آنالیز محصولات احتراق، دبی و فشار سوخت مصرفی مورد ارزیابی قرار گرفت. بعلاوه اثر جریان اجباری هوا بر روی سطح پنل بر توزیع دمای سطح و عمق آن بررسی شد. همچنین با قرار دادن پنل مذکور در یک محفظه تست محیطی با قابلیت شبیه سازی دما و رطوبت شهرهای مختلف کشور، اثر شرایط آب و هواییِ شهرهای بروجرد، خلخال، لاوان، ماهشهر و پولادشهر بر روی عملکرد پنل مورد ارزیابی قرار گرفت. دمای سطح این پنلها به طور میانگین برابر با 350 درجه سانتیگراد بوده و میزان تولید آلاینده های NOx برابر با صفر و میزان CO زیر 5 ppm به دست آمد. همچنین در شهر خلخال با کمترین دما و رطوبت، بیشترین میزان راندمان احتراق و دمای سطح ثبت گردید و بیشترین میزان انتشار CO در شهر ماهشهر با بیشترین دما و رطوبت، برابر با ppm 3 ثبت شد.
مقدمه
امروزه، اکثر گرمکن هایی انرژی شیمیایی سوخت ها را به انرژی حرارتی تبدیل می کنند، ضمن کارکرد با راندمان پایین و با حضور شعله، آلاینده های زیادی را در محیط زیست منتشر مینمایند. مهم ترین این آلاینده ها ، اکسیدهای نیتروژن میباشد. که یکی از علل ایجاد آن ها، دمای بالای شعله حین احتراق متداول سوخت های فسیلی میباشد. بنابراین باید به دنبال روشی بود که با کاهش دمای احتراق، از تولید اکسیدهای نیتروژن حرارتی1 جلوگیری شود. یکی از این روش ها استفاده از کاتالیست فلزات نجیب در واکنش احتراق سوخت میباشد. احتراق کاتالیستی برای اولین بار توس ط آزمایشات دیوی کشف شد. در این آزمایش نشان داده شد که رشته های پلاتین میتوانند مخلوط قابل اشتعال سوخت و هوا را بدون ایجاد شعله و با مقدار قابل توجهی شار تشعشعی از سطوح داغ کاتالیست محترق نمایند .[1] قدیمی ترین مشعل ها ی کاتالیستی صنعتی، گرم کن های کاتالیستی بدون شعله میباشند که در گرمایش محیطی در فضاهای باز اردوگاهی مورد استفاده قرار میگرفت. در این نوع سیستم ها، سوخت از میان یک ساختار الیافی که سطح آن با یک ماده کاتالیستی پوشیده شده است، عبور کرده و با اکسیژن محیط که به داخل آن نفوذ کرده است، واکنش میدهد. این شیوه طراحی، مانع از تشکیل شعله در کارکرد گرمکن شده که این امر ایمنی سیستم را بالا میبرد. سابقه استفاده از این سیستم ها به سال 1958 در آلمان می رسد که شرکت گوگاس چنین مشعل هایی را تولید و روانه بازار نمود. در این نوع از مشعل ها که با گاز شهری و در بیشینه دمای 400 C کار می کرد، از کاتالیست های پلاتین بهکار رفته در داخل یک لایه از پشم کوآرتز استفاده شده بود .[2]
امروزه با توجه به اهمیت مسائل زیستمحیطی و لزوم طراحی و ساخت سیستم های تولید حرارت با راندمان بالا و تولید آلاینده کم، پنل های تشعشعی کاتالیستی بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. ساختار کاتالیزوری موجود در این سیستم ها، ضمن کاهش انرژی فعالسازی و دمای واکنش، به پیشرفت واکنش احتراق تا مرز کامل شدن، کمک میکند. بنابراین با استفاده از احتراق کاتالیستی در گرمکنهای تشعشعی کاتالیستی به منظور ایجاد حرارت، ضمن حذف خطر حضور شعله، آلاینده های کمتری به محیط زیست وارد میشود . در این پنل ها با استفاده از گرمایش تابشی، اثرات گرمایش نیتروژن موجود در هوا که در اکثر سیستمهای متداول به علت خروج محصولات احتراقِ دما بالا از سیستم، باعث کاهش راندمان حرارتی میشود، فرایند خشک کردن پارچه، از یک هیتر تشعشعی کاتالیستی جریان کاهش یافته فلذا میتوان به راندمانهای بالاتری دست یافت. متقابل با سوخت پروپان و کاتالیست پلاتین روی آلومینا استفاده کارکرد این پنل ها به این صورت است که ابتدا لایه کاتالیستی به گردید. در این مطالعه نشان داده شد که حالت نصب عمودی و رو به وسیله المنت الکتریکی تا دمای حدود 120 درجه سلسیوس گرم بالای پنل منجر به بالاترین راندمان احتراق شده و با افزایش دبی میشود.
به این صورت انرژی اولیه برای شروع واکنش کاتالیستی سوخت، راندمان افت میکند. در حالت نصب رو به پایین، محصولات تأمین میگردد. سپس المنت الکتریکی از مدار خارج شده و سوخت احتراق در زیر سطح پد کاتالیستی راکد مانده و مانع نفوذ اکسیژن از پشت پنل وارد میشود. اکسیژن مورد نیاز نیز از سطح جلویی پنل خواهند شد .[6] در مطالعه دیگری که توسط ایشان در سال 2002 وارد مجموعه شده و واکنش احتراق در حضور کاتالیست آغاز شده و انجام شد، از سه هیتر تشعشعی با تغییر جریان اکسیژن به ترتیب به به صورت خودبه خودی ادامه می یابد. دمای احتراق کاتالیستی در صورت جریان طبیعی هوا روی سطح کاتالیست، جریان اجباری هوا و سطح پنل در محدوده 400 درجه سلسیوس میباشد. کاتالیست مورد نیز به صورت پیش آمیخته استفاده شد. در این پژوهش نشان داده استفاده در این گونه پنل ها، کاتالیست فلزات نجیب مانند پلاتین و شد که بار حرارتی در مشعل پیش آمیخته کاتالیستی دو برابر مقدار رادیم بر روی پایه فیبر آلومینا است. رادکلیف و هیکمن در سال اندازه گیری شده در هیترهای جریان طبیعی و اجباری است .[7]
1975 آزمایش های گسترده ای را با استفاده مواد الیافی مختلف به شایان ذکر است که پیش آمیخته کردن هوا و سوخت، علیرغم عنوان پایه که سطح جلویی آن ها با استفاده از پلاتین پوشانده شده افزایش راندمان، بارحرارتی و دمای سطح، موجب نا ایمن شدن بود، برای احتراق کاتالیستی متان به انجام رساندند. بازده، شدت کارکرد پنل به دلیل وجود مخلوط قابل اشتعال سوخت و هوا گرمایی و بیشینه دمای به دست آمده در کار آن ها به ترتیب در بازه میگردد.همچنین افزایش دمای لایه کاتالیستی امکن غیر فعال شدن 74-95 درصد، 9-29 kW/m2 و 480 درجه سلسیوس گزارش شد. آن را به دلیل پدیده کلوخه شدن2 افزایش میدهد. هم چنین نتایج حاصل از آنالیز محصولات احتراق، حاکی از میزان کم در مطالعه ای که جدیری و همکاران در سال 2010 انجام دادند، مونوکسید کربن - در حدود - 10 ppm و اکسید های نیتروژن - در نتایج یک بررسی تجربی روی عملکرد یک هیتر تشعشعی جریان حدود - 1 ppm بود .[3] متقابل تجاری که برای احتراق متان و آلایندههای صنایع نفت و گاز تریم و لام در سال 1980، عملکرد یک پنل تشعشعی کاتالیستی مانند تولوئن و اتیل بنزن و ... استفاده میشد، گردآوری شده است.
را به منظور مطالعه اکسایش کامل متان با کاتالیست پلاتین روی اثر نرخ گاز طبیعی تغذیه روی راندمان واکنش، بررسی شد و نشان آلومینا، به صورت عددی و تجربی مورد مطالعه قرار دادند. توزیع دما داده شد که با افزایش نرخ تغذیه، به خاطر نبودن اکسیژن برای بر روی سطح و عمق پنل کاتالیستی، انرژی تشعشعی و ترکیب احتراق، نرخ تبدیل کاهش می یابد. در مطالعه ایشان نشان داده شد محصولات احتراق در نزدیکی پنل به عنوان تابعی از دبی متان، که با بالابردن غلظت هیدروکربن های دیگر در جریان تغذیه سوخت، اندازه گیری شد. کربن دیاکسید و بخار آب به عنوان تنها محصولات راندمان واکنش کاهش یافته و در صورت دمیدن اکسیژن لازم به واکنش ثبت گردید. دبی سوخت تنها متغیر مورد بررسی در کار آنها سطح، میتوان میزان راندمان را حفظ نمود. همچنین نشان داده شد بود. بیشینه دما با افزایش دبی سوخت، به سمت جلویی پنل حرکت که بخار آب موجود در سوخت ورودی، اثر قابل توجهی روی فرآیند کرده و به علت لغزش متان از روی کاتالیست، راندمان احتراق با احتراق کاتالیستی ندارد .[8]
افزایش دبی افت میکند. آنها ضخامتهای مختلف لایه الیافی - بین گروه احتراق کاتالیستی در سال 1389 با هدف تدوین دانش 5 تا 40 میلی متر - را مورد مطالعه قرار دادند و توانستند در نهایت به فنی طراحی و ساخت هیترهای تشعشعی کاتالیستی در آزمایشگاه شدت گرمایی 10 kW/m2 دست یابند .[4] تحقیقاتی انرژی، آب و محیط زیست دانشگاه علم و صنعت ایران با ساداموری در سال 1999 به منظور بررسی توزیع دما و ترکیب مدیریت دکتر حسینعلیپور تشکیل گردید. در این گروه تاکنون فاز گازی به عنوان تابعی از موقیت روی پنل کاتالیستی برای مطالعات گسترده ای در زمینه پنلهای تشعشعی کاتالیستی انجام ترکیب های سوخت مختلف، از یک پنل با کاتالیست رادیم روی فیبر شده است. در پژوهش هایی که در سال 1391 و 1392 در این گروه آلومینای متخلخل استفاده نمود. در کار ایشان، بالاترین دما در لایه انجام شد، عملکرد دو هیتر تشعشعی کاتالیستی دوپنله تجاری جهت کاتالیستی، در جایی که اکسیژن و متان به هم میرسند ثبت گردید. گرمایش سیال فرآیندی عبوری از درون لوله به صورت عددی و با افزایش دبی سوخت، موقعیت دمای بیشینه به سطح نزدیکتر شد تجربی مورد ارزیابی قرار گرفت. در هر دو مطاله نشان داده شد که که نشان دهنده کنترل احتراق با نفوذ اکسیژن به داخل پد کاتالیستی یکی از اصلیترین بخش های اتلاف حرارت در هیترهای دو پنله، است. در این مطالعه، کاربرد پنلهای تشعشعی کاتالیستی برای خروج تشعشع و محصولات احتراق از هیتر میباشد
[9] و .[10] در سیستم گرمایش در خط تولید کاشی PVC نیز بررسی گردیده و پژوهش های دیگری که توسط این گروه در سال 1392 جهت بسته به نحوه نصب، بازده %99,5 گزارش گردید .[5] دستیابی به دانش طراحی پنلهای تشعشعی به انجام رسید، عملکرد در مطالعه ای دیگر که توسط سئو و همکاران در سال 1999، به یک پنل تشعشعی تجاری به صورت عددی و تجربی مورد بررسی قرار منظور بررسی عملکرد هیتر تشعشعی کاتالیستی برای کاربرد در گرفت. در این مطالعات نشان داده شد که اصلی ترین عامل کنترل کننده ظرفیت پنلهای تشعشعی، نفوذ اکسیژن به داخل پنل میباشد [11]، [12] و .[13]
دستگاه تست عملکرد پنل تشعشعی
جهت بررسی نحوه عملکرد پنل، ی ک دستگاه تست طراحی و ساخته شد. دستگاه تست قابلیت اندازه گیری پارامترهایی نظیر دمای سطح پنل، دما در عمق لایه کاتالیستی، فشار و دبی سوخت مصرفی پنل و میزان دبی مکش محصولات احتراق - جریان اجباری هوا بر روی سطح پنل - را دارا میباشد. همچنین محفظه تست محیطی که در این پژوهش از آن استفاده شده است قابلیت ایجاد شرایط دمایی در رنج +60 تا -20 درجه سلسیوس با یکنواختی دو درجه سلسیوس در محفظه و رنج رطوبت 98 تا 35 درصد را دارا میباشد. پارامترهایی که اثر آن ها بر عملکرد پنل در این پژوهش مورد ارزیابی قرار گرفته است عبارتند از: تغییر دبی سوخت مصرفی، تغییر میزان جریان اجباری هوا بر روی سطح پنل و شرایط محیطی مختلف.
به منظور مشاهده عملکرد پنل تحت شرایط مختلف آب و هوایی در فصل زمستان، چند شهر از نقاط مختلف کشور که دارای آب و هوای زمستانی متمایز از نظر دما و رطوبت بودند، انتخاب شدند. انتخاب شهرها به گونهای انجام شده است که برای مشاهده اثر هر یک از پارامترها به تفکیک، دو شهر با یک پارامترمحیطی ثابت و یک پارامتر محیطی متمایز مورد مطالعه قرار گیرد . فلذا برای دستیابی به رطوبت نسبی تقریبا ثابت و دماهای متمایز دو شهر پولادشهر با دمای -8 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی %72 و لاوان با شرایط محیطی 17 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی %70 انتخاب شد و به منظور ایجاد شرایط دمای ثابت و رطوبت متغیر دو شهر بروجرد با شرایط زمستانی دمای خشک -11 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی %8 و پولادشهر مورد مطالعه قرار گرفت. دو حالت حدی دیگر نیز، برای رطوبت و دمای بیشینه و کمینه، دو شهر ماهشهر با شرایط زمستانی 39 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی % 100 و خلخال با شرایط -19 درجه سلسیوس و رطوبت نسبی %52 انتخاب شدند.
با توجه به پارامترهای هدف، ابزارهای اندازهگیری مناسب انتخاب گردید. برای اندازه گیری دمای سطح پنل مناسب ترین گزینه استفاده از پیرومتر میباشد که با استفاده از امواج مادون قرمز منتشر شده از سطح، دما را اندازه گیری میکند. برای اندازهگیری دمای عمق از ترموکوپل نوع K استفاده شد که قابلیت تحمل دماهای بالا را داشته و به راحتی داخل لایه کاتالیستی قرار میگیرد. به منظور ثبت دمای عمق پنل با زمان، یک سیستم دادهبرداری طراحی و ساخته شد که دمای اندازه گیری شده توسط 6 ترموکوپل را با استفاده از نرم افزار لبویو3 بر روی کامپیوتر و در شش نمودار دما-زمان نشان میدهد. برای ثبت دبی سوخت، از یک کنتور گاز G4 که دارای دقت یک لیتر می باشد استفاده گردید و با اندازهگیری حجم گاز مصرفی در بازه های یک دقیقه ای، میزان دبی مصرفی به دست آمد. برای آنالیز محصولات احتراق از یک دستگاه آنالیز گاز ساخت شرکت KIMO استفاده شد که قابلیت اندازه گیری O2، NOx، CO، CO2 و CH4 را دارا می باشد. همچنین از یک فن که در بالای یک هود قرار داشت برای جمع آوری محصولات احتراق و نیز بررسی اثر جریان اجباری هوا بر روی سطح، استفاده گردید. میزان دبی مکش محصولات احتراق توسط یک سرعتسنج پروانهای اندازهگیری شد.
شکل 1 مجموعه تست عملکرد پنل تشعشعی را نشان میدهد. پنل تشعشعی تجاری تهیه شده دارای ابعاد 61×15×4/5 cm3 با ظرفیت حرارتی 1/758 کیلووات میباشد.
شکل :1 مجموعه تست عملکرد پنل تشعشعی کاتالیستی
نتایج
یکی از مهم ترین پارامترهای عملکردی پنل دمای سطح آن می باشد. در مطالعه حاضر اثر دو پارامتر دبی گاز مصرفی و جریان اجباری هوا بر روی سطح پنل، روی دمای سطح و عمق آن در شرایط آب و هوایی استاندارد مورد بررسی قرار گرفته است. سپس شرایط محیطی مختلف در دبی یکسان سوخت بر عملکرد پنل ارزیابی شده است. در شکل 2 تغییرات دمای سطح پنل در مرکز آن با تغیر دبی گاز مصرفی نشان داده شده است.
شکل :2 دما روی خط افقی وسط پنل در دبیهای مختلف گاز ورودی و
بدون فن مکش محصولات
