مطالعه اثرات سینتیک هاي شیمیایی برروي احتراق در کوره هاي متخلخل

مطالعه اثرات سینتیک هاي شیمیایی برروي احتراق در کوره هاي متخلخل نگین معلمی خیاوي 1* سیامک حسین پور 2 دانشگاه تربیت مدرس تهران (negin.moallemi@modares.ac.ir) * چکیده در تحقیق حاضر احتراق پیش آمیخته هوا/متان در یک کوره متخلخل با استفاده از یک برنامه کامپیوتري در محیط فرترن در حالت دو بعدي شبیه سازي شده است. براي شبیه سازي واکنش هاي احتراقی از چهار سینتیک چند مرحله اي مختلف استفاده شده و توانایی این چهار مکانیزم در پیش بینی توزیع دما انتشار آلاینده ها و توزیع جزء جرمی گونه هاي شیمیایی با هم مقایسه شده است. این چهار مکانیزم عبارتند از: مکانیزم مکانیزم مکانیزم اسکلتال (SM) و مکانیزم ) 17S 17 جزء و 58 واکنش). براي حل معادلات دوبعدي ناویر استوکس معادلات انرژي فاز گاز و جامد و معادلات انتقال گونه هاي شیمیایی از روش حجم محدود بر پایه الگوریتم سیمپل استفاده شده است. پروفیل هاي بدست آمده براي دماي گاز جزء جرمی گونه هاي شیمیایی و تشکیل آلاینده ها سازگاري خوبی با نتایج تجربی موجود نشان می دهند. نتایج نشان می دهند که این چهار مکانیزم در پیش بینی توزیع دمایی دقت تقریبا یکسانی دارند به طوري که تفاوت بین آنها بیش تر از %2 نیست. در ضمن مکانیزم بهترین پیش بینی را در مورد آلاینده NO درمقایسه با نتایج تجربی اراي ه می دهد. همچنین مکانیزم 17S در پیش بینی توزیع دما و توزیع جزء جرمی گونه هاي شیمیایی سازگاري خوبی با سه مکانیزم به خصوص مکانیزم SM دیگر دارد. واژههاي کلیدي: محیط متخلخل احتراق سینتیک شیمیایی چند مرحله اي حجم محدود 1- مقدمه در سالهاي اخیر احتراق در محیط متخلخل مورد توجه بسیاري از محققان قرار گرفته است. چرا که این سیستم ها داراي مشخصات منحصر بفردي از جمله محدوده توان دینامیکی زیاد چگالی توان بالا انتشار کمتر آلاینده هایی مثل CO و NO و سرعت بالاي سوختن می باشند. در واقع احتراق در محیط متخلخل به دو دلیل مهم از سیستم هاي احتراقی شامل شعله آزاد متمایز می گردند که این دو دلیل عبارتند از: سطح تماس زیاد ماده متخلخل که موجب انتقال حرارت موثر بین جامد و گاز می شود و اختلاط خوب سوخت و اکسید کننده که موجب نفوذ و انتقال حرارت موثر در فاز گازي می گردد. بازده احتراق در محیط متخلخل بیش تر از سیستم هاي احتراق معمول می باشد که این امر نتیجه انتقال حرارت بهتر و موثر از طریق هدایت و تشعشع از سطوح گرم شده می باشد. در واقع آنتالپی گاز احتراقی ماتریس متخلخل را گرم می کند که در عوض این سطح گرم شده ماتریس جامد را در ناحیه پیش گرمایش بوسیله هدایت و تشعشع گرم می نماید و بنابراین مخلوط نسوخته ورودي به وسیله ترکیبی از انتقال حرارت هدایت و تشعشع پیش گرمایش می شود. این مکانیزم برگشت انرژي از طرفی موجب افزایش بازده و نرخ احتراق شده و از طرف دیگر کاهش دماي ماکزیمم شعله باعث کاهش انتشار آلاینده ها و هیدروکربن هاي نسوخته می شود. ۱- دانشجوي دکتري مهندسی مکانیک/ تبدیل انرژي دانشگاه تربیت مدرس تهران 2- دانشیار مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی سهند تبریز دانشکده مهندسی مکانیک

بیش تر محققان براي شبیه سازي احتراق و انتقال حرارت در چنین سیستم هایی از شبیه سازي عددي استفاده نموده اند. یاشیزاوا و همکارانش در سال 1988 یک شبیه سازي عددي یک بعدي با استفاده از سینتیک یک مرحله اي انجام دادند. آنها اثرات تغییر خواص انتقال حرارت را روي سرعت سوختن و ساختار شعله مورد مطالعه قرار دادند [1]. زو و پریرا در سال 1997 با استفاده از یک مکانیزم چند مرحله اي (27 جزء و 73 واکنش) یک مدل سازي عددي انجام دادند. آنها نشان دادند که انتشار CO و NO بطور قابل ملاحظه اي در محیط متخلخل کاهش می یابد [2]. چانگ جن بوسیله حل عددي یک بعدي اثرات افزودن هیدروژن روي احتراق متان را در کوره هاي متخلخل مورد بررسی و تحلیل قرار دادند [3]. آماندا.جی باررا و همکارانش در سال 23 یک مطالعه عددي یک بعدي براي مدل کردن یک کوره متخلخل دو قسمتی انجام دادند. آنها اثرات خواص مواد متخلخل را روي پایداري شعله بررسی نمودند [4]. حسین پور و حدادي در سال 28 اثرات پارامترهاي کوره متخلخل را روي احتراق و تشکیل آلاینده ها مورد مطالعه قرار دادند. آنها از یک مدل یک بعدي و سینتیک چند مرحله اي استفاده نمودند. نتایج تحقیقات آنها نشان می دهد که انتشار CO و NO به طور عمده بستگی به ضریب انتقال حرارت حجمی و ضریب پخش ماده متخلخل دارد [5]. علاوه بر شبیه سازي هاي عددي یک بعدي تعدادي شبیه سازي دو بعدي نیز صورت گرفته است. یک مدل سازي عددي دو بعدي توسط محمد و همکارانش در سال 1994 براي پیش بینی بازده حرارتی توزیع دما و نیز افت فشار با استفاده از مکانیزم یک مرحله اي صورت گرفته است. آنها اثرات تغییر در هندسه اندازه حفره هدایت حرارتی سرعت سوختن و نسبت هواي اضافی را برروي پروفیل دما و انتشار آلاینده ها بررسی نمودند [6]. بیدي و همکارانش در سال 27 یک مطالعه عددي دو بعدي درباره احتراق در محیط متخلخل انجام دادند. آنها نشان دادند که سینتیک شیمیایی چند مرحله اي منجر به نتایج دقیق تر براي توزیع دما و جزء جرمی گونه هاي شیمیایی می شود [7]. ابراهیمی و همکارانش در سال 27 با استفاده از یک سینتیک چند مرحله اي شامل 7 جزء و 5 واکنش احتراق در محیط متخلخل را شبیه سازي نمودند. آنها براي شبیه سازي از یک مدل عددي دو بعدي استفاده نموده و اثرات نسبت هواي اضافی و پارامترهاي تشعشع فاز جامد را مورد بررسی قرار دادند. نتایج تحقیقات آنها نشان می دهد که افزایش نسبت هواي اضافی موجب کاهش دماي ماکزیمم و کاهش انتشار آلاینده هایی همچون CO و NO می شود [8]. این مقاله شبیه سازي عددي دو بعدي احتراق پیش آمیخته هوا/متان را در محیط متخلخل اراي ه می دهد. به منظور حل عددي یک برنامه کامپیوتري در محیط فرترن توسعه داده شده است. براي شبیه سازي واکنش هاي شیمیایی از چهار مکانیزم احتراقی چند مرحله اي استفاده می نماید و اثرات آنها را بر روي توزیع دما توزیع جزء جرمی گونه هاي شیمیایی و انتشار آلاینده ها مورد بررسی قرار می دهد. در این شبیه سازي معادلات ناویر استوکس معادلات انرژي فاز جامد و گاز و معادلات انتقال گونه هاي شیمیایی حل شده است. براي گسسته سازي معادلات بدست آمده از روش حجم محدود استفاده شده است و فشار و سرعت از طریق الگوریتم SIMPLE به هم ارتباط داده شده اند. در این مدل معادلات انرژي جداگانه اي براي فاز جامد و گاز حل شده است که این دو معادله از طریق انتقال حرارت حجمی به هم مربوط می شوند. انتقال حرارت تشعشع در ماتریس جامد بوسیله ضریب انتقال حرارت موثر بیان شده است. نرخ پیشرفت واکنش هاي شیمیایی خواص ترموفیزیکی و ترموشیمیایی بوسیله برنامه CHEMKINII و اطلاعات پایه آن بدست آمده است [9]. 2- هندسه مساله 2

در این مقاله یک کوره مستطیلی در نظر گرفته شده است که شامل دو منطقه می باشد: یک منطقه پیش گرمایش و یک منطقه احتراق (شکل 1 ). شکل 1. کوره متخلخل دو قسمتی مورد مطالعه معمولا منطقه پیش گرمایش از موادي با تخلخل کمتر و هدایت حرارتی پایین و منطقه احتراق از موادي با تخلخل و هدایت حرارتی بالا ساخته می شود و همچنین اندازه حفره در منطقه احتراق بزرگ می باشد. دلیل انتخاب موادي با هدایت حرارتی کمتر و اندازه حفره کوچکتر در منطقه پیش گرمایش جلوگیري از احتراق در این منطقه می باشد. 3- معادلات حاکم در این مقاله یک هندسه متقارن دو بعدي جریان پایدار آرام و نیوتنی و ماده متخلخل همگن در نظر گرفته شده است. براي شبیه سازي واکنش هاي شیمیایی از مکانیزم احتراقی اسکلتال استفاده شده است. با فرض هاي ذکر شده معادله بقاء جرم معادلات مومنتوم معادله انرژي فاز گاز جامد و معادلات انتقال اجزاء شیمیایی بصورت زیر می باشند:. ρ = (1). =. μ ( ) (2). ( ) =. μ ( ) (3) براي محاسبه افت فشار در ماتریس متخلخل از معادله 1 فورهایمر استفاده شده است. ( ) = μ + μ (4) = (5) 2 بیانگر سرعت ظاهري می باشد که در محیط متخلخل بصورت زیر تعریف می گردد. که در آن بیانگر تخلخل ماده متخلخل می باشد.. ρ c T =. ελ T + H T T - ω h (6) =. (1 ε)λ T + H (T T ) (7) 1 - Forchheimer 2 Superficial velocity 3

( λ بصورت زیر تعریف می گردد[ 1 ] : که ضریب انتقال حرارت هدایت موثر ) λ = λ +.. (8). ρ Y =. ρεd Y + ω k [1, ] (9) که در این رابطه N تعداد اجزاء شیمیایی می باشد. 4- نتایج و بحث در کار حاضر احتراق پیش آمیخته هوا/متان در یک کوره متخلخل دو قسمتی بصورت عددي در حالت دو بعدي مورد مطالعه قرار گرفته است. براي شبیه سازي فرایند احتراق از چهار سینتیک چند مرحله اي متفاوت استفاده شده که این چهار مکانیزم عبارتند از: مکانیزم [11] مکانیزم [12] مکانیزم [12] و مکانیزمی متشکل از 17 جزء و 58 واکنش (17S). توزیع دما و اجزاء جرمی بدست آمده توسط این چهار مکانیزم با هم مقایسه گردیده اند. شکل 2 کانتور دماي گاز بدست آمده با مکانیزم اسکلتال و با نسبت هواي اضافی 1/5 نشان میدهد. شکل 2. کانتور دماي گاز بدست آمده با مکانیزم اسکلتال و با نسبت هواي اضافی 1/5 در ادامه کار توزیع دماي گاز بدست آمده با استفاده از چهار مکانیزم در روي خط مرکزي کوره استخراج شده و با نتایج تجربی بدست آمده توسط دارست و تریمیس [13] مقایسه گردیده اند که این موضوع در شکل 3 نشان داده شده است. همانطور که در این شکل مشخص است پروفیل دماي گاز بدست آمده توسط چهار مکانیزم سازگاري خوبی با نتایج تجربی دارد و همچنین این چهار مکانیزم داراي دقت تقریبا یکسانی در پیش بینی توزیع دماي گاز می باشند. 4

18 16 14 Tgas(K) 12 1 8 17S experimental result by Durst&Trimis 6 4 2 2 4 6 8 1 X(cm) شکل 3. مقایسه توزیع دماي بدست آمده از چهار مکانیزم با نتایج تجربی دارست و تریمیس[ 13 ] علت تفاوت بین نتایج عددي و تجربی می تواند ناشی از تفاوت و یا عدم دقت بعضی از خواص ماده متخلخل مانند هدایت حرارتی ضریب انتقال حرارت حجمی و خواص تشعشعی باشد. هرگونه تغییر در این خواص منجر به تغییرات شدید در نتیجه نهایی می گردد. از آنجا که این خواص از طریق کارهاي آزمایشگاهی بدست می آیند با توجه به ساختار پیچیده مواد متخلخل و عملیات مکانیکی مختلف تعیین این خواص بسیار پیچیده و غیر دقیق است. شکل 4 5 و 6 به ترتیب توزیع جزء جرمی گونه هاي H2O,C, و بدست آمده توسط چهار مکانیزم را در شرایط استوکیومتریک نشان می دهند. همانظور که در این شکل ها نشان داده شده است نتایج حاصل از دو مکانیزم خیلی نزدیک به نتایج حاصل از مکانیزم می باشد همین امر در مورد دو مکانیزم اسکلتال و 17S صادق است..22, (mass fraction).2.18.16.14.12.1.8.6.4.2 17 species 17 species 3 4 5 x(cm) شکل 4. توزیع جزء جرمی و با استفاده از چهار مکانیزم مختلف در شرایط استوکیومتریک 5

.15 H2O (mass fraction).1.5 H2O H2O H2O H2O 17 species 2 4 6 8 x(cm) شکل 5. توزیع جزء جرمی H2O با استفاده از چهار مکانیزم مختلف در شرایط استوکیومتریک.15 C (mass fraction).1.5 C C C C 17 species 2 4 6 8 1 x(cm) شکل 6. توزیع جزء جرمی C با استفاده از چهار مکانیزم مختلف در شرایط استوکیومتریک در این قسمت اثرات نسبت هواي اضافی بر روي انتشار آلاینده هاي CO و NO مورد بررسی قرار می گیرد. شکل 7 و 8 انتشار آلاینده هاي CO و NO بدست آمده توسط چهار مکانیزم و به ازاي نسبت هاي هواي اضافی از 1/2 تا 1/6 را نشان داده و با نتایج تجربی موجود مقایسه می کنند. 6

1.2 1.1 CO Mass Fraction(ppm) 1.9.8.7.6.5.4.3 experimental 17 Species.2.1.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Excess Air Ratio شکل 7. مقایسه انتشار CO بدست آمده با استفاده از چهار مکانیزم با نتایج تجربی به ازاي نسبت هاي هواي اضافی مختلف 1 NO Mass Fraction(ppm) 8 6 4 experimental 2 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Excess Air Ratio شکل 8. مقایسه انتشار NO بدست آمده با استفاده از چهار مکانیزم با نتایج تجربی به ازاي نسبت هاي هواي اضافی مختلف همانطور که در شکل 7 معلوم است این چهار مکانیزم داراي دقت تقریبا یکسانی در پیش بینی آلاینده CO هستند به خصوص نتایج دو مکانیزم و GRI 2.11 در پیش بینی آلاینده CO خیلی شبیه هم هستند. در واقع در مکانیزم تغییرات چندانی در مورد شیمی CO نسبت به مکانیزم انجام نشده است. با توجه به شکل 8 مکانیزم بهترین پیش بینی را در مورد آلاینده NO در مقایسه با چهار مکانیزم دیگر اراي ه می دهد چرا که یک سري اصلاحات مربوط به 1 سینتیک CH که براي تشکیل NO سریع مهم هستند به این مکانیزم اضافه شده است. 1 - prompt 7

5- نتیجه گیري چهار مکانیزم چند مرحله اي استفاده شده در این مقاله داراي دقت تقریبا یکسانی در پیش بینی توزیع دماي جامد و گاز می باشند به طوري که اختلاف بین آنها بیش تر از %2 نیست. مکانیزم GRI 2.11 تطابق بسیار خوبی با مکانیزم در پیش بینی توزیع دما و جزء جرمی گونه هاي شیمیایی نشان می دهد. بنابراین می توان از مکانیزم بدلیل هزینه و زمان کمتر به جاي مکانیزم GRI- 3. استفاده نمود. مکانیزم اسکلتال و مکانیزم متشکل از 17 جزء داراي دقت تقریبا یکسان در پیش بینی توزیع دما و محصولات احتراقی و انتشار آلاینده ها می باشند. از آنجا که در مکانیزم تغییرات چندانی در ارتباط با شیمی CO نسبت به مکانیزم انجام نشده است بنابراین در پیش بینی آلاینده CO تفاوت چندانی بین این دو مکانیزم وجود ندارد. بهترین پیش بینی در مورد آلاینده NO در مقایسه با نتایج تجربی مربوط به مکانیزم می باشد. در واقع در این مکانیزم یک سري اصلاحات در ارتباط با سینتیک CH که در تشکیل NO سریع (prompt) مهم هستند اضافه شده است. 6- منابع و مراجع 1- Yoshizawa, Y., Sasaki, K., and Echigo, R. Analytical Study o the Structure of Radiation Controlled Flame,Int. J Heat Mass Transfer 31:311-319 (1988) 2- Zhou, X. Y., and Pereira, J. C. F., Numerical study of combustion and pollutions formation in inert Non homogenous porous media, Combustion Science Technology, Vol. 13, 335-364 (1997) 3- Chung-jen Tseng, Effects of Hydrogen Addition on Methane Combustion in a Porous Medium Burner", International Journal of Hydrogen Energy 27 (22) 699-77 4- Amanda J. Barra, Guillaume Diepvens, Janet L. Ellzey, Michael R. and Henneke., Numerical of The Effect of Material Properties on Flame Stabilization in a Porous Burner",Combustion and Flame 134 (23) 369-379 5- S. Hossainpour, B. Haddadi, Numerical study of the effects of porous burner parameters on combustion and pollutant formations, World Congress on Engineering 28 (WCE 28), July 2-4, London, U.K, 155-151 6- Mohamad, A. A., Ramadhyani, S., and Viskanta, R., Modeling of combustion and heat transfer in a packed bed with embedded coolant tubes, Int. J.Heat Mass Transfer, 37:1181-1191 (1994). 7- M. Bidi, M. Saffar Avval and M. Heyrani Nobari, A Two-Dimensional Numerical Study of Combustion in Porous Media, Eurotherm Seminar 81 Reactive Heat Transfer in Porous Media (27). 8- Meisam Farzaneh, Reza Ebrahimi, Mehrzad Shams and Mohamd Shafiey, Two-dimensional Numerical Simulation of Combustion and Heat Transfer in Porous Burners, Engineering letters, EL_15_2_28. 8

9- Kee, R.J., Miller, J. A. and Jefferson, T.H. 9198,1996) CHEMKIN: A General Purpose problem Independent, Transportable, Fortran, Chemical Kinetic Program Package, Sandia National Lab. Report, SAND8-83. 1- Stevan Nemoda, Dimosthenis Trimis and Goran Zivkovich, " Numerical Simulation of Porous Burners and Hole Plate Surface Burners", 24 11- P. Glarborg, N. I. Lilleheie, S. Byggstoyl, B.F. Magnussen, P. Kilpinen and M. Hupa, 24 th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, pp. 889-898P. Glarborg, N. I. Lilleheie, S. Byggstoyl, B.F. Magnussen, P. Kilpinen and M. Hupa, 24 th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, pp. 889-898. 12- G.P. Smith, D.M. Golden, M. Frenklach, N.W. Moriarty, B. Eiteneer, M. Goldenberg, C.T. Bowman. R.K. Hanson, S. Song, W.C. Gardiner Jr., v. Lissianski, Z. Qin, available at: http://www.me.berekeley.edu/gri_mech. 13- F. Durst, D. Trimis, Compact Porous Medium Burner and Heat Transfer Exchanger for Household Applications, EC project report, (contact no. JOEC-CT95-19), 1996. 9