بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله الگوریتم تولید یک مدل کاهیده مناسب برای تخمین آلاینده های NOx و CO در احتراق متان در توربین های صنعتی مورد مطالعه قرار گرفته است. در این الگوریتم که بر مبنای آنالیز حساسیت است مکانیزم کاهیده از مکانیزم کامل GRI-3 که شامل 325 واکنش و 53 گونه است تولید میشود. با استفاده از آنالیز نرخ تشکیل ضریب اهمیت برای تمام گونه های درگیر در واکنش کامل GRI-3 تعریف و با توجه به آن، گونه های مهم برای آنالیز حساسیت انتخاب شده است، سپس با استفاه از آنالیز حساسیت، واکنشهای مهم انتخاب شده اند، در نهایت با آنالیز مسیرهای واکنشی، مسیر مکانیزمهای بدست آمده در تولید گونه های مهم بهینه شده اند و مکانیزمی شامل 35 واکنش و 20 گونه درگیر بدست آمده است. برای اعتبار سنجی مکانیزم حاصله با استفاده از نرم افزار Chemkin و مدل احتراقی PSR احتراق متان در شرایط مختلف تحلیل و با مکانیزم کامل GRI-3 و دو مکانیزم اسکلتی دیگر مقایسه شده است.
کلیدواژگان: مکانیزم کاهیده، مکانیزم اسکلتی، احتراق، احتراق متان-هوا، GRI-3، Reduced Mechanism
.1 مقدمه
تحلیل عددی احتراق به منظور شناسایی و طراحی محفظه احتراق موتورهای درون سوز از اهمیت بالایی برخوردار است. در سال های اخیر با توجه به استانداردهای تصویب شده تخمین آلاینده هایی مانند NOx و CO در تحلیل های عددی از اهمیت بالایی برخوردار است.[1] میدانیم که استفاده از مکانیزم کامل در تحلیل های CFD نیازمند زمان حل بسیار طولانی و پردازشگرهای پر هزینه است از این رو استفاده از مکانیزم کاهیدهای که بتواند در شرایطی خاص تخمین خوبی از مکانیزم کامل داشته باشد بسیار مفید خواهد بود.[2]
روش های زیادی برای تولید مکانیزم های کاهیده وجود دارد. بعضی از این روش ها کاملا غیر فیزیکی هستند در این نوع روشها پایه اصلی محاسبات فرض شبه پایایی - QSSA - برای بعضی گونه های خاص درگیر در واکنش است. بدین معنی که در حین انجام واکنش میزان تولید و مصرف این گونه ها مساوی فرض میشود [3] این فرض کمک میکند تا تعدادی از معادلات حذف گردند و در نهایت دستگاه معادلات ساده تر گردد. روش های را میتوان به عنوان نمونه هایی از این گونه روش ها معرفی نمود. برتری این روش ها در مقابل دیگر روشها در قابل انتخاب بودن تعداد گام های واکنش کاهیده است. یعنی میتوان تعداد گام های واکنش کاهیده را به میزان دلخواه کاهش داد. در عین حال یکی از عیبهای اصلی این روش ها غیر متعارف بودن معادله سرعت واکنشهای کاهیده است.
معادله سرعت واکنش های کاهیده در این روش ها به صورت تابع جبری از سرعت واکنش های مکانیزم کاملی است که مکانیزم کاهیده توسط آن تولید میشود. این معادله به سادگی قابلیت بارگذاری در نرم افزارهای CFD را ندارد.[13] آنالیز حساسیت و روش اسکلتی از دیگر روشهای مرسوم در کاهیدن واکنش های شیمیایی است. مکانیزم های اسکلتی به مکانیزم های کاهیده ای گفته میشود که توسط روشی خاص از یک مکانیزم کامل یا یک مکانیزم اسکلتی دیگر تولید میشوند یا به عبارتی دیگر واکنش های یک مکانیزم اسکلتی زیر مجموعه ای از واکنش های یک مکانیزم اسکلتی دیگر است - مکانیزم های کامل را نیز میتوان مکانیزم های اسکلتی در نظر گرفت - . در این گونه روشها که نیاز به دانش احتراقی است و کاری آماری محسوب میشوند، برای واکنشهای بزرگ که شامل زیر-واکنشهای بسیاری هستند آنالیز حساسیت انجام میشود و زیرواکنشهایی که اهمیت کمتری در پارامترهای هدف دارند حذف میگردند15]،.[14
برخلاف روشهای قبل - غیر فیزیکی - ، در این گونه روشها نمیتوان تعداد زیر واکنش ها را تا اندازه دلخواه کاهش داد. در کارهای مشابه و مطرح به تازگی آقای Megan F. Karalus و همکارانش مکانیزم اسکلتی 177 گامی پیشنهاد دادهاند، این مکانیزم علاوه بر احتراق متان گونه های آلاینده NOx را نیز پیش بینی میکند آنها توسط یک مدل احتراقی PSR در نرم افزار CHEMKIN-PRO و ترکیب روش آنالیز حساسیت و روش DRG از مکانیزم کامل [16] GRI-3 این مکانیزم را بدست آوردهاند.[17] دیگر مکانیزم کاهیده مشابه مکانیزم است این مکانیزم مشهور در سال1994 توسط Kazakov. A و Frenklach .M از مکانیزم کامل
GRI-2.11 تولید شده و فاقد واکنش های تجزیه نیتروژن است و در مجموع 104 زیر واکنش را شامل میشود .[18] هدف اصلی ما در این مقاله ارائه یک مکانیزم کاهیده برای احتراق متان با استفاده از روش های فیزیکی مبتنی بر شهود بجای روش های غیر فیزیکی مرسوم میباشد ، به همین منظور توجه خاصی به محدوده کاری محفظه توربینهای مرسوم مانند SGT-600 میشود هرچند در بازه بسیار وسیعی اعتبار نتایج بررسی میگردد. پس از انجام آنالیز نرخ تشکیل با تعریف ضریب اهمیت برای تمام گونههای درگیر در مکانیزم کامل GRI-3 ابتدا گونههایی که اهمیت بالایی دارند شناسایی میگردند و آنالیزحساسیت روی آنها انجام میشود در آنالیز حساسیت واکنش هایی که در نرخ تولید و غلظت نهایی این گونه ها پر اهمیتر هستند شناسایی میشوند. در نهایت با استفاده از آنالیز مسیر ، مسیرهایی که این واکنش ها طی میکنند و به گونه های اصلی میرسند بهینه میگردد. در نهایت مکانیزم بدست آمده با مکانیزم های مشابه مقایسه میگردد.
.2 آنالیز نرخ تشکیل و گونه های پایا
شناسایی گونه های پایا - QSS - یکی از اصلی ترین گام های تولید یک مکانیزم کاهیده به حساب میآید. معیارهای متفاوتی برای محاسبه گونه های پایا در واکنش های شیمیایی ارائه گردیده است.[19] یکی از ابتدایی ترین و پرکاربرد ترین روش های محاسبه گونه های پایا بر اساس آنالیز نرخ تشکیل است. این آنالیز، نرخ تولید و مصرف هر کدام از گونه های درگیر در مکانیزم را ارائه میکند و در مجموع بیان میکند که نرخ تولید و مصرف این گونه به چه میزان است. بدینمنظور برای مکانیزم کامل GRI-3 که شامل 325 واکنش و 53 گونه است در شرایط نسبت هم ارزی 0,6 و 0,7 ، فشار 14 اتمسفر، زمان اقامت 10 میلی ثانیه و دبی جرمی 4 کیلوگرم برثانیه که شرایط یکی از برنرهای محفظه احتراق موتور SGT-600 است، آنالیز نرخ تشکیل انجام شد و نرخ تولید و مصرف تمام گونه ها بصورت جداگانه محاسبه گردید. در نهایت با استفاده از رابطه - 1 - میتوانیم این گونه ها را بر اساس پایا بودن مرتب نماییم.
در اینجا ̇ مجموع نرخ مصرف گونه ی i ام در تمام واکنش ها و ̇ مجموع نرخ تولید گونه ی iام در تمام واکنش ها است. مقدار δabs به صورت مطلق تمام گونه ها را بررسی میکند و اهمیت هر گونه را در نظر نمیگیرد بدین معنی که گونه هایی که در نهایت غلظت ناچیزی دارند و گونه هایی که غلظت بالایی دارند بصورت یکسان مقایسه میگردند. اگر بخواهیم اهمیت غلظت گونه ها را با میزان پایا بودن آنها ترکیب کنیم میتوانیم پارامتر جدیدی تعریف کنیم. با ضرب میزان غلظت گونه ها در δabs داریم: در اصل متغیر معیاری است که اهمیت هرگونه را نسبت به دیگر گونه ها مشخص میکند. با تعریف این متغیر میتوانیم گونه های هدف در آنالیز حساسیت را انتخاب نماییم. مشاهده میشود که در جدول1 تمامی گونه ها به ترتیب اهمیت کلی آنها بر اساس مرتب شده است. میدانیم که انتخاب با در نظر گرفتن مقیاس های زمانی انتخاب هوشمندانه ای است بدین معنی که ابتدا تولید و مصرف گونه ها را در سه مقیاس زمانی کلی [20] تقسیم بندی و سپس گونه های پراهمیت را از جداول بدست آمده انتخاب میکنیم. در اینجا سه گروه اصلی مورد مطالعه قرار میگیرند.
-1 گونه هایی که در سوختن متان و تشکیل فرآورده های اصلی نقش دارند. این گروه شامل گونه هایی با حداکثر یک اتم کربن که اتم نیتروژن را شامل نشود است.
-2 گونه هایی که در سوختن نیتروژن و تشکیل آلاینده ناکس نقش دارند. تمام گونه هایی که اتم نیتروژن در تشکیل آنها نقش دارد یا به عبارتی شامل N هستند جزو این گروه اند.
-3 گونه هایی که در سوختن فرآورده های حاصل از سوختن متان تولید میشوند. گونه هایی که بیش از یک اتم کربن در آنها مشاهده میشود جزو این گروه بحساب می آیند
همانطور که بیان شد میتوان با این تقسیم بندی گونه های پراهمیت در بررسی را مشخص نمود. گونه های گروه 3 از آن جهت که دارای اهمیت مستقل نبوده و در تولید یا مصرف گونههای اصلی اثر ناچیزی دارند مورد مطالعه قرار نمیگیرند و آنالیز حساسیت بروی آنها انجام نمیشود. گونه های مهم را تنها از گروه اول و دوم انتخاب میکنیم. در جدولهای 2 و 3 که گونه های گروه اول و دوم بصورت تفکیک شده آورده شده است گونههای مشخص شده برای آنالیز حساسیت انتخاب شده است.
.3 آنالیز حساسیت
آنالیز حساسیت که یکی از مراحل اصلی تولید مکانیزم های کاهیده اسکلتی است، بدین معناست که حساسیت برای متغیرهای اصلی در یک واکنش نسبت به تغییر یک پارامتر خاص بررسی میگردد. برای واکنش های شیمیایی ضرایب حساسیت گوناگونی تعریف میشود در این مقاله از ضریب حساسیت مرتبه اول استفاده شده است.[14] متغیرهای وابسته
