سوخت و احتراق
سال:1397 | دوره:11 | شماره:2 |تعداد مقالات:8

پیش بینی اشتعال عرضی یکی از مهم ترین و درعین حال دشوارترین مراحل پیش بینی اشتعال در توربین های گازی حلقوی است. دلیل دشواری این فرایند آن است که برای پیش بینی این پدیده باید چند مشعل هم جوار مورد مطالعه قرار بگیرد. این کار، چه از نظر تجربی و چه عددی، بسیار هزینه بر است. یکی از راه کارهای مفید برای نیل به هدف فوق استفاده از روش های تحلیلی برای پیش بینی اشتعال عرضی است. در این مقاله، یک روش تحلیلی برای پیش بینی احتمال اشتعال عرضی در یک محفظه احتراق حلقوی مجهز به 18 مشعل ای- وی نسل دوم توسعه داده شده است. این روش، نمونه توسعه داده شده مدل ارائه شده توسط هیرش و همکاران است. برای اعتبارسنجی این مدل، از داده های موجود برای چهار توربین مختلف استفاده شده است. بررسی های انجام شده نشان می دهد که روش حاضر با دقت بسیار خوبی می تواند احتمال اشتعال عرضی را در توربین موردنظر پیش بینی کند. زمان اجرای این روش توسعه داده شده نسبت به روش های عددی دیگر چند مرتبه کمتر است، لذا می توان از این روش کم هزینه در فرایند طراحی استفاده کرد. از این ابزار سریع و کم هزینه، همچنین، می توان در منطق کنترلی توربین استفاده کرد تا در صورت کم بودن این احتمال اشتعال، راهکارهای مناسب برای افزایش آن را ارائه کرد. در پایان این مقاله، از روش توسعه داده شده برای ارائه راهکاری جهت افزایش احتمال اشتعال عرضی در توربین های مورد بررسی استفاده شده است.

شعله پیش آمیخته منتشر شده در یک کانال به طور ذاتی ناپایدار است. این ناپایداری خود را به صورت وارونگی شعله و نهایتا شعله لاله ای خود را نشان می دهد. در کار حاضر، به مطالعه تاثیر خم 90 درجه ای بر انتشار شعله لاله ای پرداخته شده است. در این شبیه سازی عددی، که به صورت سه بعدی انجام گرفته، از رویکرد اغتشاشی شبیه سازی گردابه های بزرگ (LES) و مدل احتراقی شعله ضخیم شده مصنوعی (ATF) به همراه سینتیک شیمیایی 7 مرحله ای استفاده شده است. نتایج حاضر نشان می دهند که با شروع تغییر شکل شعله در قسمت افقی کانال، که هم زمان با کاهش رشد فشار و سرعت پیشروی جبهه شعله است، وارونگی در جبهه شعله روی می دهد. در این لحظات، شکل گیری یک جفت گردابه بزرگ مقیاس در گاز سوخته و در مجاورت شعله باعث تغییر میدان جریان اطراف جبهه شعله می شود. در بخش افقی کانال، نمای سه بعدی شعله به شکل یک شعله لاله ای با چهار زبانه کاملا مشابه است. با ورود شعله به خم، زبانه های پایینی شعله سرعت پیشروی بیشتری داشته، به طوری که پس از مدتی زبانه های بالایی کاملا محو شده و زبانه های پایینی کل عرض کانال را اشغال می کنند. اگر چه وجود خم تغییر قابل توجه ای بر روند افزایشی فشار محفظه نداشته، اما دامنه نوسانات سرعت را تا حدی کاهش داده است.

تاثیر مثبت چرخش واکنشگرهای ورودی به محفظه احتراق بر نرخ اختلاط سوخت و هوا در تحقیقات پیشین به صورت گسترده ای مورد بحث قرار گرفته است. اما، این تحقیقات اغلب بر چرخش هوا متمرکز بوده اند. کار حاضربه صورت عددی به بررسی تاثیر چرخش سوخت بر ساختار شعله و نشر آلاینده های یک شعله نفوذی می پردازد، در حالی که میزان چرخش هوا ثابت نگه داشته می شود. نتایج نشان می دهد که افزایش چرخش سوخت منجر به افزایش نرخ اختلاط سوخت و هوا، افزایش پهنای شعله، افزایش دمای بیشینه شعله، کاهش نشر مونوکسیدکربن و کاهش طول شعله می شود. اما، منحنی تغییرات میزان نشر اکسیدنیتروژن با چرخش سوخت دارای یک حداقل در چرخش های میانی است. همچنین، نتایج نشان می دهد که چرخش هم جهت سوخت و هوا، در مقایسه با چرخش خلاف جهت آن ها، منجربه نرخ اختلاط سریع تر، دمای بیشینه بالاتر، نشر اکسیدنیتروژن بیشتر، و در عین حال موجب نشر مونوکسیدکربن کمتر می شود. در کار حاضر، مشاهده می شود که چرخش بهینه سوخت برابر با چرخش هوا و هم جهت با آن است. در این حالت، میزان نشر اکسیدنیتروژن و مونوکسیدکربن، در مقایسه با طرح مرجع (که در آن سوخت بدون چرخش در نظرگرفته می شود)، به ترتیب، در حدود 15.2 درصد و 92.7 درصد کاهش می یابد.

در این پژوهش، محفظه احتراق توربین گاز نمونه به صورت تجربی مورد مطالعه قرار می گیرد. هدف از این تحقیق بررسی اثر دبی های مختلف سوخت و هوا بر عملکرد محفظه و نیز فرایند خاموشی رقیق از سوخت در شرایط پایا و اتمسفریک است. محفظه احتراق مورد بررسی از نوع استوانه ای بوده و سوخت مایع کروسین با استفاده از انژکتور پیچشی فشاری به محفظه احتراق تزریق می شود. چرخاننده محوری دارای عدد چرخش 0.8 بوده و دمای هوای ورودی به محفظه 315 کلوین است. در ابتدا، محدوده پایداری محفظه احتراق مشخص شده و سپس اثر فشار بالادست انژکتور و دبی هوا بر دمای گازهای درون محفظه و خروجی از آن اندازه گیری شد. به منظور بررسی دقیق تر علت تغییر رفتار محفظه احتراق ناشی از تغییر دبی هوا، چهار نقطه عملکردی انتخاب شده و کانتور دمای درون محفظه احتراق استخراج شده است. نتایج نشان می دهد که شعله در ناحیه بالا و پایین محفظه احتراق و در مجاورت دیواره ها تشکیل می شود. بررسی ضریب یکپارچگی دمای خروجی از محفظه احتراق نشان می دهد که بهترین عملکرد در حالتی است که تمام شعله درون محفظه احتراق بوده و در عین حال، دبی هوا کمینه باشد. علاوه بر این، مشخص شد که فرایند خاموشی محفظه احتراق در شرایط رقیق به صورت یکنواخت نیست، بلکه با افزایش دبی هوا ابتدا شعله بالای محفظه احتراق و سپس شعله پایین خاموش شده و در نهایت منجر به خاموشی کل محفظه احتراق در شرایط رقیق از سوخت می شود.

در این مطالعه، تولید بیوگاز از ویناس با استفاده از سه راکتور SGBR با حجم یکسان 5.6 لیتر، در سه زمان ماند هیدرولیکی2 (HRT) ،  3و 4 روز، با بارگیری روزانه مواد آلی 86002، 28667 و 21500 mgCOD/L.Day بررسی شد. به منظور تامین دمای 35 میانه راکتور از روش حمام آب، و از محلول NaOH برای بافر استفاده شد. حجم بیوگاز تولیدی با استفاده از روش جابه جایی آب اندازه گیری شد. نتایج نشان داد که میزان گاز متان تولیدی در زمان ماند هیدرولیکی 4، 3 و 2 روز پس از 11، 13 و 16 روز به مقدار تقریبا ثابتی رسید. میزان گاز متان تولیدی در زمان ماند هیدرولیکی 2، 3 و 4 روز، به ترتیب، 6.66، 16.66 و 27.38 LSTP/L. day به ازای هر لیتر ویناس است. باکتری های متانوژن و اسیدوژن در5.57 pH ، در هر سه زمان ماند هیدرولیکی، پس از گذشت 2 روز، به تعادل رسیدند. به طور میانگین، میزان گاز متان تولیدی نسبت به مواد جامد فرار در زمان ماند هیدرولیکی 2، 3 و 4 روز، به ترتیب 244، 345 و 434 LCH4/kgvs به دست آمد.

یکی از روش های عمده تولید گاز اکسیژن با خلوص بالا الکترولیز آب می باشد. در این فرآیند، آب به عناصر سازنده اش یعنی اکسیژن و هیدروژن تجزیه می شود. در این مطالعه، از بسترهای مختلف فلزی ارزان قیمت شامل فوم نیکل، ورق استیل، توری نیکل، ورق برنج و ورق مس به عنوان الکترود اکسیژن بهره گرفته شده است. از آزمایش های الکتروشیمیایی ولتامتری چرخه ای، ولتامتری روبش خطی و منحنی تافل نیز جهت بررسی عملکرد الکترودها استفاده شده است. نتایج حاصل از این بررسی نشان داد که فوم نیکل پتانسیل مازاد کمتری را در چگالی جریان های 50 mA cm-2 و به ویژه 150 mA cm-2 نسبت به دیگر نمونه ها دارد. پتانسیل مازاد فوم نیکل در چگالی جریان50 mA cm-2 ، 442 mV و در چگالی جریان150 mA cm-2 ، 580 mV است که نسبت به دو نمونه توری نیکل و ورق استیل به ترتیب، 60 mV و 48 mV پتانسیل مازاد کمتری دارد. علاوه بر این، فوم نیکل در شرایط واقعی عملکرد مناسبی داشت، به طوری که بازده آن در دماهای 25، 40 و 60 درجه سانتیگراد به ترتیب، 59.24، 61.83 و 67.70 درصد است.

مطالعه حاضر به تخمین آلاینده های NOx در محفظه احتراق یک موتور توربین گاز صنعتی با استفاده از رویکرد مدل سازی شبکه رآکتور می پردازد. تولید شبکه رآکتور بر مبنای توزیع زمانی- مکانی کسر مخلوط در بالادست جبهه شعله و زمان اقامت جریان در حجم شعله انجام گردیده است. بدین منظور، شبیه سازی گردابه های بزرگ برای ارزیابی توزیع کسر مخلوط در بالادست جبهه شعله مورد استفاده قرار گرفته و زمان اقامت با استفاده از مدل سازی RANS محاسبه شده است. علاوه بر این، موقعیت جبهه شعله و حجم شعله با استفاده از شبیه سازی RANS و نیز با استفاده از نرم افزار ENERGICO تعیین شده است. نتایج محاسبات با استفاده از اطلاعات تجربی موتور صحه گذاری شده و دقت بالای رویکرد پیشنهادی در تخمین میزان آلاینده های NOx در محفظه مورد مطالعه را تایید کرده است. مطالعات پارامتریک مختلفی برای ارزیابی آثار ترکیب سوخت، سینتیک شیمیایی، موقعیت شعله، و رژیم احتراقی بر مسیرهای تولید NOx نیز انجام شده است. نتایج مطالعات نشان داده است که موقعیت شعله و ترکیب سوخت بیشترین تاثیر را بر میزان تولید NOx دارند. با استفاده از این رویکرد، محفظه مورد بحث از نظر آلاینده های NOx ارتقا یافته و این آلاینده از سطح 25 ppmvd به 15 ppmvd کاهش داده شده اند.