بخشی از مقاله
چکیده
به دنبال بحران انرژی اول و دوم در دهه های هفتاد و اوایل هشتاد میلادی ،فعالیت های پژوهش و توسعه فراوانی در دنیا با تمرکز بر بهبود بازدهی انرژی انجام میپذیرفت .از موثرترین روش برای بهبود بازدهی سامانههای احتراق که در فرایندهای دما بالا به کار میرود ،پیش گرمایش هوای احتراق است. فن آوری احتراق بدون شعله نخستین بار به منظور کاهش میزان NOx حرارتی در مشعل های کوره های صنعتی و با بهره گیری از هوای احتراق پیش گرم شده توسعه یافت. این تکنیک که احتراق بدون شعله نام گرفت هم اکنون بسیار مورد استفاده قرار میگیرد. در این مقاله، مراحل ساخت یک هیتر تشعشعی کاتالیستی با استفاده از نانو مواد و بررسی تجربی عملکرد حرارتی آن با استفاده از احتراق بدون شعله همراه با پایین آوردن دمای شروع احتراق توضیح داده شده است.
-1 مقدمه
امروزه با توجه به لزوم طراحی و ساخت سامانههای تولید حرارت با بازدهی بالا و سازگار با محیطزیست، گرمکنهای تشعشعی کاتالیستی بسیار موردتوجه قرارگرفتهاند. ساختار کاتالیستی در این پنل ها سبب کاهش انرژی فعالسازی و دمای واکنش اکسیداسیون بین هوا و سوخت میشود؛ بنابراین با استفاده از پدیده احتراق کاتالیستی در پنل های تشعشعی با حذف شعله، آلایندههای کمتری تولید میشود. با استفاده ازسیستم های کاتالیستی تابشی در دمای پایین، اثرات اکسیدهای نیتروژن که در بیشتر سامانههای متداول به دلیل محصولات احتراق دما بالا تشکیل میشود، کاهشیافته، بنابراین میتوان به بازدهی بیشتر دستیافت.[1]
در احتراق کاتالیستی با استفاده از کاتالیست فلزات نجیب مانند پالادیم و پلاتینیم در یک محیط متخلخل، میتوان با کاهش انرژی فعالسازی واکنش، دمای حاصل از فرآیند احتراق را کاهش داد. کاهش دما منجر به عدم تولید آلایندههایی نظیر اکسید های نیتروژن و کارکرد پاک این مشعلها میشود .[2] واکنشهای شیمیایی در مشعلهای کاتالیستی، ازجمله واکنشهای سطحی بوده و نرخ واکنش تابع نفوذ اکسیژن است.
بنابراین در عملکرد این مشعلها شعلهای مشاهده نشده و به دلیل ساختار کاتالیست مورداستفاده و دمای سطح آن، تابش حرارت در محدوده مادونقرمز است. قدیمیترین مشعلهای کاتالیستی، گرم کنهای کاتالیستی بدون شعله هستند که در گرمایش محیطی در فضاهای باز اردوگاهی مورد استفاده قرار میگرفتند. در این نوع سامانهها، 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 گرمکن شده که این امر ایمنی سامانه را بالا میبرد.
سال 1979 تریم و لام1 از اولین کسانی بودند که روی احتراق کاتالیستی کار نمودند، آنها در مطالعه خود واکنش اکسیداسیون متان روی کاتالیست پلاتینیم بر پایه فیبر آلومینا را بهصورت تجربی مورد بررسی و ارزیابی قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که دیاکسید کربن و آب تنها محصولات قابل ردیابی واکنش احتراق کاتالیستی میباشد، همچنین آنها مشاهده نمودند که تولید حرارت به نرخ واکنش شیمیایی وابسته است. افزایش در نرخ متان ورودی ممکن است موجب افزایش نرخ واکنش در اثر افزایش غلظت متان و یاکاهش نرخ واکنش در اثر محدودیت نفوذ هوا به داخل پد گردد .
سال 2002، در مطالعه دیگر سئو و همکارانش، از سه گرماساز تشعشعی با تغییر جریان اکسیژن به ترتیب بهصورت جریان طبیعی هوا روی سطح کاتالیست، جریان اجباری هوا و نیز به صورت پیش آمیخته استفاده کردند .در پژوهش یادشده نشان داده شد که ظرفیت حرارتی در مشعل پیش آمیخته کاتالیستی دو برابر مقدار اندازه گیری شده در گرماسازهای جریان طبیعی و اجباری است . تاباتا 2 و همکارانش در سال 2005 یک گرمکن کاتالیستی با فیلم نازک پالادیم را مورد بررسی قرار دادند، آنها دریافتند که این فیلم نازک منجر به مصرف پایین گاز، واکنش حرارتی سریع و انتشار CO بسیار کمی می گردد .[5]
در پژوهشی جریان سوخت متان و احتراق کاتالیستی آن در یک محیط متخلخل به صورت پیش آمیخته مورد بررسی قرار گرفت. در این پژوهش پارامترهای مختلف نظیر ضریب سطح به حجم احتراق کاتالیستی، گرمای تولید شده از احتراق و خواص فیزیکی نظیر دما و فشار با مقادیر تجربی صحت سنجی گرید. شکل - 2 - نشان دهنده تغییرات دمایی بر خط مرکزی کانال و در امتداد طول آن می باشد و همان طور که دیده میشود، دمای سیال پس از اینکه از ناحیه متخلخل عبور کرده و اشتعال صورت میگیرد به 1050 کلوین میرسد و پس از آن به آرامی کاهش می یابد. همچنین شکل - 3 - توزیع غلظت دی اکسید کربن در صفحه میانی ناحیه متخلخل را نشان میدهد، همان طور که در شکل پیداست به دلیل سرعت پایین سیال در کنار دیواره ها، غلظت فرآورده های واکنش در کنار دیواره بیشتر از واکنش دهنده ها می باشد و در شکل - 4 - توزیع غلظت بخار آب تولیدی نشان داده شده است .[6]
