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 و حدود احتراق مخلوط امری ضروری است. حد پایین یک سوخت از خواص بنیادی آن تلقی میشود و نقش حیاتی در طراحی موتور و شبیه سازی احتراق ایفا میکند. زمانیکه اشتعال و کار با گازهای قابل احتراق مطرح است داشتن اطلاعات دقیق و درست از حدود احتراق اهمیت بسیار بالایی دارد.
در اینجا هدف بررسی تاثیر افزودن هیدروژن به گاز طبیعی روی حد پایین احتراق آن بر حسب فشار، دما، نسبت همارزی و درصد هیدروژن است. بمب حرارتی، ترانسدیوسر فشار، ترموکوپل و تجهیزات دیگر آزمایشگاهی جهت ثبت فشار داخل بمب به کار گرفته شده است، با آنالیز دادههای فشار، حد پایین احتراق مخلوط برای درصدهای جرمی 100و95و90و80 و صفر گاز طبیعی در مخلوط گاز طبیعی - هیدروژن - هوا بدست آمده است.
-1 مقدمه
نظر به بحران آلودگی محیط زیست و تاثیر سوخت های بنزینی و دیزلی در آلودگی و ازسویی دیگر هزینه ×بالای این سوختها درسالهای اخیر توجه به استفاده از سوختهای جایگزین بیشتر شده است.
از جمله سوختهای جایگزین میتوان به گاز طبیعی یا متان اشاره کرد. سوختی که در قیاس با بنزین آلودگی بسیار پایینی ازنظر تولید گازهای گلخانهای و آلاینده دارد. با توجه به این جایگزینی میبایست راهکاری را پیدا نمود تا شاخصهای شیمیایی و فیزیکی گاز را افزایش دهد. یکی از این راه کارها افزودن جزئی هیدروژن به گاز طبیعی میتواند باشد.
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، از طرفی هیدروژن به عنوان سوخت پاک نام گرفته و تولید کربندیاکسید و کربنمنوکسید 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. زمانیکه اشتعال و کار با گازهای قابل احتراق مطرح است داشتن اطلاعات دقیق و درست از حدود احتراق اهمیت بسیار بالایی دارد.
پارامترهای زیادی وجود دارند که حدود احتراق را متاثر میسازند که این پارامترها را میتوان به سه گروه زیر ×تقسیم بندی کرد:
1 -دستگاهی که احتراق درآن رخ میدهد. - قالب و حجم محفظه احتراق، منبع ایجاد جرقه، محفظه دارای منفذ یا بسته -
2 -شرایط فیزیکی مخلوط گاز. - فشار، دما، توربولانس، رطوبت -
3 -اپراتور - درستی دقت و صحت انجام احتراق - .
در این پایان نامه تاثیر افزودن هیدروژن به مخلوط گاز طبیعی - متان - و هوا در حد پایین احتراق آن در بمب حرارتی بسته و منبع جرقه الکتریکی با پارامترهای فیزیکی مشخص مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
-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 جرقهزنی مبتنی بر جریان مستقیم و یک کویل صورت میگیرد .توجه شود که انرژی جرقه 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. ترکیبهای موجود در گاز شهری اردبیل با توجه به آنالیز در جدول 1 آمده است:
جدول-1 ترکیبهای موجود در گاز طبیعی
و با توجه به این ترکیبات و ارزش حرارتی هر کدام ارزش حرارتی گاز طبیعی 10800 کیلو کالری بر کیلوگرم و ارزش حرارتی هیدروژن 28700 کیلوکالری بر کیلوگرم در نظر گرفته میشود.
-3 حدود احتراق
بر اساس پذیرش عمومی صورت گرفته ، حدود احتراق به عنوان نواحی ای از درصد سوخت-هوا شناخته می شوند که گسترش شعله در آن ناحیه ممکن می باشد و خارج از این محدوده امکان گسترش شعله و احتراق وجود نداشته باشد.
-3-1 حد پایین احتراق
دو محدوده مختلف احتراق برای ترکیب سوخت-هوا وجود دارد که به کمترین میزان سوخت مورد نیاز برای اینکه شعله بتواند گسترده شود که به عنوان حد پایین احتراق شناخته می شود
