بخشی از مقاله
چکیده
تجدید ناپذیری سوختهای فسیلی از یک سو و نگرانیهای زیست محیطی ناشی از اینگونه سوختها از سوی دیگر باعث افزایش روز افزون توجه به سوختهای جایگزین شده است. سیر تصاعدی تولید زبالههای شهری باعث شدهاست در سالهای اخیر استفاده از زیالهسوزها به عنوان یک منبع مناسب تولید انرژی توجه زیادی را به خود جلب کند. در این پژوهش با استفاده از مدلسازی ریاضی به کمک نرم افزار ANSYS Fluent 16 احتراق در یک زبالهسوز به منظور بررسی پتانسیل زبالهسوز جهت به کارگیری به عنوان کورهای جهت گرمکردن سیال فرآیندی پرداخته شده است.
با بررسی کانتورها و نمودارهای استخراج شده از نرم افزار پس از شبیه سازی مشخص می شود که چه نقاطی دارای آنتالپی و دمای بالاتری هستند که طبعا این مناطق محل مناسب تری جهت عبور لوله های حاوی سیال سرد است . همچنین کانتور تغییرات آنتروپی در محفظه احتراق نشان دهنده توزیع اختلاط مناسب در محفظه احتراق است. نتایج حاصل از مدل نشان دهنده توزیع مناسب دما در محفظه احتراق می باشد که بیانگر آن است که این کوره زباله سوز جهت استفاده به عنوان مبدل حرارتی کارآمد خواهد بود.
-1مقدمه
افزایش مصرف جهانی انرژی باعث افزایش تقاضا برای منابع تولید انرژی میگردد. با توجه به بررسیهای انجام شده توسط موسسهی بریتیش پترولیوم1 ، که در سال 2009 صورت پذیرفت، برای تامین این تقاضای انرژی وابستگی شدیدی به نفت وجود دارد. به علت محدود بودن منابع سوختهای فسیلی و افزایش روز افزون قیمت آنها امروزه صرفه جویی در مصرف اینگونه سوختها اهمیت خاصی پیدا کرده است و تلاشهای روز افزونی برای صرفه جویی در مصرف انواع مختلف انرژی در صنایع مختلف در جهان صورت میگیرد .[1]
یکی از روشهایی که کارایی بالای خود را در چند سال اخیر نشان داده است استفاده از انرژی مربوط به زیست تودهها است. از سوزاندن سوختهای جامدی همچون زیست توده2 یا زباله های شهری 3 که خود نوعی زیست توده محسوب می شود میتوان انرژی زیادی را استحصال کرد، این اهمیت تا آنجاست که زباله را طلای کثیف نیز نامیده اند .[2]
زیست توده شامل کلیه موادی در طبیعت می شود که درگذشته نزدیک جاندار بوده، از موجودات زنده بعمل آمده و یا زائدات، ضایعات و یا فضولات آنها می باشند .زیست توده در مقابل منابع فسیلی مطرح می باشد .می دانیم که منشاء منابع فسیلی نیز منابع زیست توده می باشد ولی تفاوت آنها در این است که منابع فسیلی از منابع زیست توده که در گذشته بسیار دور زنده بوده اند - دهها میلیون سال پیش - و تحت شرایط فشار و دمای خاص حاصل شده اند. در منابع گوناگون، مقادیر مختلفی برای میزان انرژی تولید شده از زیست توده ها بیان شده است.
فتوسنتز گیاهان سالانه حدود 4000 EJ/year را به منظور فتوسنتز و نیز تولید منابع غذایی مصرف مینماید. این در حالیست که میزان پتانسیل انرژی تولید شده از زیست تودهها از سالهای 1990 تا 2060 حدود 31-1135 EJ/year تخمین زده شده است. تولید انرژی از زیست تودهها را میتوان به دو روش فرآیند تبدیل ترموشیمیایی و فرآیند تبدیل بیوشیمیایی تقسیم کرد4]،.[3
تبدیل بیوشیمیایی، تبدیل زیست توده به سوخت های مایع یا گازی از طریق تخمیر یا تجزیه غیر هوازی است که بعدها میتوان از آن در ماشینهای تولید قدرت استفاده کرد. محصول اصلی تخمیر این نوع از سوختها اتانول است. همچنین از تجزیه غیرهوازی زیست توده میتوان در تولید سوختهای گازی که بیشتر شامل متان است استفاده نمود. تبدیل ترمو شیمیایی زیست توده توسط یکی از روشهای احتراق مستقیم4 و یا گازی سازی5 به طور مستقیم یا غیر مستقیم تولید انرژی صورت میگیرد.[5]
احتراق مستقیم سادهترین روش تولید انرژی از زبالههای شهری است. احتراق یکی از قدیمیترین و مهمترین فرآیندهای مورد استفاده بشر در طول قرنهای گذشته بوده است. امروزه بیش از 90 درصد منابع انرژی جهان به طور مستقیم و یا غیر مستقیم به وسیله فرآیند احتراق تأمین میشود. احتراق یا سوختن سلسله واکنشهای پیچیده شیمیایی گرمازایی هستند که بین یک سوخت و یک اکسید کننده رخ میدهد و با تولید حرارت یا حرارت و نور به صورت گداختگی و شعله همراه است.[6]
روش دوم در تبدیل زیست توده و زبالهها به انرژی استفاده از گازی سازی است. گازی سازی عبارت است از تبدیل مواد اولیه ورودی جامد یا مایع به سوخت های گازی یا محصولات شیمیایی که می توان از آن جهت آزاد سازی انرژی حرارتی، تولید قدرت و نیز تبدیل آنها به سوختهای شیمیایی - زیست سوخت - 1 استفاده نمود. فرآیندهای گازی سازی معمولا از مراحل زیر تشکیل شده است: -1 خشک کردن2 -2 تجزیه حرارتی3 -3 اکسیداسیون جزئی محصولات تجزیه شده -4 گازی سازی و تجزیه شیمیایی4 محصولات فرآیند گازی سازی در چند مرحله انجام می شود. در مرحله اول یکی از حساسترین بخشهای کار شبکهبندی کوره است.
زیرا از عواملی که میتواند مدلسازی عددی جریانات آشفته را متأثر از خود نماید، تراکم مش و توزیع فضایی آن است. در شبیهسازی محفظه احتراق، یکی از موارد حائز اهمیت کیفیت بالای شبکه در مناطقی است که انتقال حرارت تشعشعی نقش عمدهای را ایفا میکند زیرا مدلهای تشعشعی در شبکههایی با کیفیت پایین همگرا نمیشوند. تراکم بالای شبکه در نواحی ترکیب سوخت و هوا، از موارد دیگری است که در شبکهبندی محفظه احتراق رعایت میشود. در کار حاضر محفظه مشعل به دلیل هندسه پیچیده آن، از شبکه غیر سازمان یافته چند وجهی استفاده شده است. اختلاط سوخت و هوا سبب شده که تراکم شبکه در این ناحیه از مناطق دیگر کوره بیشتر باشد. شکل - 2 - مشبندی به کار گرفته شده در شبیهسازی را نشان می دهد.
-2 مدلسازی
-1-2 هندسه و شبکهبندی
در شکل - 1 - هندسه سه بعدی محفظه و متعلقات آن همراه با دستگاه مختصات مرجع نشان داده شده است. قاعده محفظه را پایه - Base - می نامیم و ابعاد آن 4/58 متر - در راستای 5/928 - z - در راستای - y است. هر سری شامل 11 نازل است که قطر آنها 0/051 متر و فاصله آن ها از پایه 2/96 متر و 3/96 متر است. ارتفاع محفظه 12/96 متر - در راستای - x است که توسط دو دریچه سوخت مستطیلی با ابعاد 0/2 متر و در 0/9 متر تغذیه میشود. ابعاد خروجی محفظه 1/6 متر در 5/928 متر است و محصولات احتراق قبل از خروج از آن با 44 لوله تبخیر کننده آب6 انتقال حرارت میکنند.
-2-2 شرایط حل عددی
برای شبیه سازی این مسئله از نرم افزار ANSYS Fluent 16 استفاده شده است. این نرم افزار بر اساس روش حجم محدود میباشد. در این شبیهسازی برای مدل سازی جریان توربولانس از روش تحقق پذیر7 ، برای مدلسازی احتراق از روش مدل احتراق غیر پیشآمیخته و برای مدلسازی تشعشع از تکنیک جهتهای محدود - 8 - DO استفاده شده است.
لازم به ذکر است که معادلات حاکم بر این مدل مبتنی بر دو فرض اساسی است. اول اینکه مسئله، حالت دائم در نظر گرفته میشود و فرض دوم آن که مسئله تراکم ناپذیر در نظر گرفته میشود. با این فرض بهدست آوردن چگالی در معادلات از تغییرات آن با فشار صرف نظر شده و تنها گرادیان آن بر اثر گرادیان دما و غلظت گونههای شیمیایی در نظر گرفته میشود. این یک فرض منطقی برای اعداد ماخ پایین است. در ادامه به بیان معادلات حاکم بر مدلهای استفاده شده پرداخته می شود.
-1-2-2 معادله بقای جرم
معادله بقای جرم یا پیوستگی به صورت زیر تعریف میشود:
-2-2-2 معادله بقای نمونههای شیمیایی
در شبیهسازی احتراق علاوه بر کلیه معادلات جریان، معادلات کسر جرمی هر یک از اجزاء نیز باید حل شود. معادلات اجزاء را میتوان با استفاده از معادلات عمومی انتقال به صورت زیر نوشت:
-3-2-2 معادله بقای مومنتوم
معادله بقای مومنتوم برای یک سیال نیوتونی با فرض ایزوتوپ بودن سیال در حالت کلی به صورت زیر بیان میشود:
-4-2-2 معادله آنتالپی
-5-2-2 معادله آنتروپی
با توجه گستره زیاد تغییرات دما در محفظه احتراق زبالهسوز مدلسازی شده مقدار تغییرات چگالی و گرمای ویژه اجزای موجود در محفطه احتراق متغیر است. در این صورت معادله مناسب جهت تعیین آنتروپی طبق قانون دوم ترمودینامیک به صورت معاده زیر بیان میشود.
-6-2-2 مدلسازی جریان اغتشاش
در مدل سازی جریان اغتشاش از مدل تحقق پذیر استفاده شده است. واژه تحقق پذیر به این دلیل انتخاب شدهاست که قیود ریاضی حاکم بر تنشهای رینولدز را که با فیزیک حاکم بر جریانهای آشفته سازگار است، ارضا میکند. از ویژگیهای سودمند مدل تحقق پذیر کاربردهای صنعتی گسترده آن است.
-7-2-2 معادلات احتراق - مدل احتراق غیر پیش آمیخته -
تابع چگالی احتمال3در تئوری جنبشی مکانیک آماری و تئوری میدان کوانتوم و شعلههای مغشوش همراه با معادلات بقای حاکم به کار گرفته میشود، ایده اصلی در استفاده از این روش در شعلههای غیر پیش مخلوط، به دست آوردن متوسط مقادیر با استفاده از ارتباط مقادیر ترموشیمیایی با کمیت کسر مخلوط4 و وزن کردن آن با تابع چگالی احتمال است. در حالت کلی علاوه بر کلیه معادلات جریان، معادله انتقال برای کسر جرمی هر یک از اجزاء نیز باید حل شود. معادلات اجزاء را با استفاده از معادله عمومی انتقال میتوان به صورت زیر بیان کرد:
-8-2-2 معادلات تشعشعی - DO -
انتقال حرارت به طور کلی توسط سه مکانیزم هدایت، جابهجایی و تشعشع صورت میگیرد.
