P P P مطالعه ا زمايشگاهي تا ثير چرخش هوا بر ميزان توليد NORXR در شعله پيشا ميخته پروپان- هوا عليرضا P حاجيپور افشين P فهيميراد P و پيمان P بازيار P peyman.baziar@yahoo.comt Pدانشگاه علمي كاربردي فذا ا مل ايران Ta.fahimirad@desa.irT تحقيق و توسعه شركت ديزل سنگين ايران (دسا) ا مل ايران Pمركز Pباشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان دانشگاه ا زاد اسلامي واحد علوم و تحقيقات ا يتاالله ا ملي ا مل ايران Talirezahajipour@gmail.comT چكيده - در اين مقاله براي درك تاثير چرخش هوا بر روي تشكيل احتراق پيش ا ميخته پروپان هوا با مشعل چرخشي به وسيله ا زمايشات انجام شده است. ا زمايشات در محفظه احتراق استوانه اي طراحي شده كه تقارن محوري دارد در نسبت هاي هم ارزي و زواياي چرخش مختلف انجام گرفته است. نتايج نشان مي دهد كه چرخش باعث افزايش پايداري شعله شده و اختلاط سوخت و هوا را افزايش مي دهد و همچنين در مشعل چرخشي با افزايش عدد چرخش شعله كوتاهتر و پهن تر شده و دما در خروج و در نتيجه حرارتي شدت كاهش پيدا كرده است. حرارتي به شدت از دما تاثير پذيرفته است. مقادير زياد و كم به ترتيب در هسته مركزي گرم و نواحي دما پايين يافته مي شود. چرخش ايجاد يك نوع بازگشت گازهاي خروجي (FGR) داخلي در نزديكي شعله كرده است. كليد واژه- چرخش پيش ا ميخته. - Bمقدمه احتراق چرخشي به گستردگي در محفظههاي احتراق توربين گاز مشعلهاي چرخشي و محفظههاي احتراق چرخشي بكار گرفته شده است [ و ]. ايده استفاده از چرخش براي كم كردن اغتشاش و كاهش تشكيل به وسيله بير (Beer) پيشنهاد داده شد [] جريان چرخشي در دهه اخير بسيار مورد توجه قرار گرفته است كه تقريبا بطور كامل در مطالعه علمي سايرد (Syred) [4] و گوپتا (Gupta) تشريح شده است [5]. چرخش نه تنها ميتواند بر مشخصات احتراق اثر بگذارد بلكه بر تشكيل نيز تا ثير ميگذارد [6]. چرخش ابزاري براي پايداركردن شعله و بالا بردن و كنترل انتقال حرارت است و بازده احتراق را افزايش ميدهد [7 و 8] كه براي رسيدن به اين نيازمنديها چند نوع مشعل چرخشي ساخته شدند كه جريان ذرات چرخشي پيچيده براي رسيدن به اين موضوع بكار گرفته شده است [9]. براي رسيدن به انتشار كم چرخش از ديگر تكنيكهاي احتراق شبيه مرحلهاي كردن FGR و دوباره سوختن كاملتر است []. بعضي محققين افزايش در تشكيل را با افزايش در عدد چرخش گزارش ميدهند [6] ديگر محققين كاهش در تشكيل را با افزايش در عدد چرخش گزارش ميدهند []. تا ثير عدد چرخش بر روي يك پديده مركب است. تغيير عدد چرخش بر ناحيه جريان شامل محل اندازه ناحيه برگشت و دماي شعله توزيع غلظت گونهها و شدت ا شفتگي اثر خواهد گذاشت. همه اينها در تشكيل بيشتري بر روي تشكيل مو ثر است اما مشخص نيست كه كدام تا ثير ا زمايشگاهي تا ثير چرخش را بر روي تشكيل دارد [6]. در اين مقاله ما مطالعه در احتراق چرخشي مغشوش پروپان- هوا انجام داديم. معيار چرخش حول محور مركزي با پارامتر بيبعدي به نام معرفي ميشود. عدد چرخش برابر است با نسبت شار محوري مماسي به شار محوري عمودي و به صورت زير است كه در ا ن R شعاع چرخنده است. []: R R ρ / in ρ S UWr dr R U rdr () Bمقدمات ا زمايش - = مقدمات ا زمايش شامل قسمت تست سيستم تا مينكننده سوخت و هوا و سيستمهاي اندازهگيري كه در شكل و
نشان داده شده را شامل ميشود. قسمت تست يك محفظه احتراق است كه از فولاد تو خالي ساخته شده و داراي طول mm 5 mm و قطر داخلي 5 mm است كه با عايقي به ضخامت پوشانده شده است. براي ديدن شعله بر روي چند دريچه اول شيشه كوارتز (Quartz) نصب شده است كه به صورت كشويي داخل و خارج ميا يد. در محفظه احتراق مخلوط سوخت و هوا از طريق لوله مركزي ورودي به قطر 5 mm تا مين شده است. كه چرخندههاي با زاويه تيغه مختلف براي دستيابي به جريانهاي چرخشي با اعداد چرخش مختلف نصب شده است. مقدار غلظت NO به وسيله گاز ا ناليزور Testo 5 XL اندازهگيري شده است. براي اندازهگيري دبي جرمي هوا از از فلومتر Lutron YK-5AM ترموكوپل استفاده شده است كه شامل K-type براي اندازهگيري دما است. براي اندازهگ ي ر ي دبي جرمي سوخت از روتامتر SWP F-6A استفاده شده است. ا زمايشات در ا زمايشگاه دانشگاه ا زاد اسلامي مشهد انجام شده است. عدد چرخش معرفي مي شود با []: tanθ σ r S = () σ r كه ϴ زاويه پره و Rنسبت σrr قطر داخلي به قطر خارجي چرخنده است. زواياي پره استفاده شده در اين تحقيق 45 5 و 6 درجه است كه چرخندهها در شكل نشان داده شده است. قطر داخلي چرخنده 8 ميليمتر و قطر خارجي ا ن 5 ميليم ت ر است. بنابراين اعداد چرخش به ترتيب,7,4, و, است. همچنين ا زمايشات در نسبتها ي همارزي مختلف (F) انجام شده است. شكل : قسمت ا زمايش شكل : چرخندهها - Bنتايج و بحث شكل : قسمت ا زمايش. ) پروپان ) ر و تا م تر ) چرخنده 4) كوره 5) ترموكوپل 6) ا ناليزور گاز 7) ميله اندازهگيري 8) فن هوا 9) فلومتر در شكل 4 تصاوير شعله را در هواي ا زاد و به ترتيب در اعداد چرخش مختلف و در نسبت همارزي نشان داده شده است. با توجه به تصاوير ميبينيم كه با افزايش عدد چرخش شعله پهنتر شده و طول ا ن كمتر ميشود كه اين شرايط با اندكي اختلاف در داخل محفظه احتراق نيز وجود دارد كه سبب مي شود حالت گريز از مركز در نواحي پايين دست تا بالا دست شعله ايجاد شود. اين حالت شعله باعث شده كه بازگشت جريان ايجاد شود. سراسر ساختار ناحيه جريان گاز اساسا ميتواند به سه قسمت تقسيم شود: يك ناحيه برگشت مارپيچي مركزي (CTRZ) كه به خاطر
گراديان فشار مخالف القاشده به وسيله چرخش ايجاد ميشود ناحيه برگشت گوشه (CRZ) به سبب انبساط شعاعي جريان و ديواره ايجاد ميشود و لايههاي برشي دوتايي (لايه هاي داخلي CTRZ و لايههاي بيروني اطراف.(CTZ هردو نواحي برگشتي به بر روي گونه ها و پايداري شعله در پايين دست شعله تا ثير ميگذارند. CTRZ در تصاوير نشان داده از شعله به شكل بيضي نشان داده شده است. البته چون تصاوير خارج از كوره گرفته شد امكان نشان دادن نواحي ديگر نبوده است. در شكلهاي 5 تا 7 نتايج ا زمايشگاهي تغييرات دما در انتهاي كوره براي نسبتهاي همارزي مختلف نشان داده شده است. نتايج نشان ميدهد كه با افزايش عدد چرخش دما در تمامي نواحي كاهش پيدا كرده و به كمترين مقدار در انتهاي كوره رسيده است. اين كاهش دما به علت كاهش پيدا كردن بيشينه دماي شعله و كشيده شدن شعله به سمت ورودي كوره است. كه تمام اين تغييرات بر روي ميزان تشكيل اثر گذاشته است. شكل 4: تصوير شعله در نسبت همارزي و عددهاي چرخش مختلف. a, c,7 d,4 c, b 5 9 7 5 99 97 95 9 9 89 87 85....4.5.6.7.8.9..... شكل 5: تغييرات دما در فاصله 9 ميليمتري از ابتداي كوره در مركز كوره 9 7 5.. 9. 7 5 99....4.5.6.7.8.9.. شكل 6.: تغييرات دما در فاصله 75 ميليمتري از ابتداي كوره در مركز كوره
NOx (ppm) S= S=. 9 S=.4 S=.7 8 S=. 7 6 5 4.6.7.8.9....4.5 نسبت هم ارزي 55 5 5 95 75. 55. 5. 5 95 75 55 5 5....4.5.6.7.8.9.. -4 شكل 7: تغييرات دما در فاصله 6 ميليمتري از ابتداي كوره در مركز كوره در شكل 8 نتايج ا زمايشگاهي اندازه گيري شده در تمام نسبت هاي هم ارزي براي اعداد چرخش مختلف نشان داده شده است. اندازهگيريها نشان ميدهد كه با افزايش نسبت همارزي در تمام اعداد چرخش به جز عدد چرخش, بيشينه مقدار در نسبت همارزي,95 اتفاق ميافتد و در عدد چرخش صفر و نسبت همارزي,95 به بيشترين مقدار خود (6 (ppm رسيده است. همچنين نتايج نشان ميدهد كه با افزايش عدد چرخش در تمام نسبتهاي همارزي ابتدا كاهش كم و سپس با افزايش در اعداد چرخش,7 و, كاهش شديدي اتفاق افتاده است. علت كاهش شديد بالاتر به علت ايجاد چرخش داخلي شديد يا همان در اعداد چرخش است. CTRZ اين نوع چرخش موجب اختلاط شديدتر سوخت و هوا ميشود و مقداري از محصولات احتراق تشكيل شده در ابتداي شعله بازگشت كرده و مجددا وارد واكنش شده است و از ا ن جهت كه برخي از گونههاي موجود داراي ظرفيت حرارتي بالايي هستند حرارت ناشي از احتراق را جذب كرده كه اين دو عامل باعث كاهش Rدر NORx عدد چرخش بالا ميشود. در كل در چرخش بالا بازگشت گازهاي خروجي در ناحيه نزديك شعله ايجاد شده است. البته اين پديده در محفظههاي احتراق مختلف متفاوت است. قطر محفظه احتراق براي اين موضوع بسيار موثر است. در كل نتايج نشان ميدهد كه به ترتيب در نسبتهاي همارزي مختلف,,95,8,7 و,4 از عدد چرخش تا, اندازه %6,5 %65, %4,4 %5 و %5 كاهش يافته است. به صرفنظر 5Bشكل 8 : نتايج اندازهگيري شده در نسبتهاي همارزي مختلف Bانواع خطاها و ميزان ا نها در دادههاي اندازهگيري از دقت ا زمايش به دلايل مختلف ممكن است در جمعا وري دادههاي تجربي خطا وجود داشته باشد. بعضي از اين خطاها از نوع تصادفي هستند و بعضي به خاطر اشتباه در حين ا زمايش است. دادههاي غلط حاصل از اشتباههاي واضح بلافاصله قابل شناسايي بوده و كنار گذاشته شده اند. ولي در مورد دادههايي كه مشكوك هستند به سادگي نميتوان تشخيص داد. بنابراين جهت تشخيص اين خطاها از تحليل عدم قطعيت دادههاي تجربي كه به روش ا ماري انجام شده است استفاده گرديده است. عدم قطعيت يا مقدار احتمالي خطا بسته به شرايط ا زمايش ممكن است به مقدار زيادي تغيير كند. خطاهاي ثابت و تصادفي خطاهايي هستند كه ممكن است در يك اندازهگيري تجربي سبب عدم قطعيت گردند معمولا خطاهاي ثابت با كاليبرهنمودن وسايل اندازهگيري از بين ميروند ولي خطاهاي تصادفي از طريق تحليل ا ماري شناساي ي ميشوند. در اين پژوهش ابتدا براي هر نقطه چهار داده ا زمايشگاهي جمعا وري شده است و سپس ميانگين حسابي دادهها محاسبه و به عنوان داده نهاي ي ا زمايشگاهي استفاده ميشود. مقدار خطاي احتمالي يا عدم قطعيت دادهها از فرمول زير محاسبه شده است. σ σ = m.5 n انحراف معيار مقدار ميانگين و σ انحراف () در اين فرمول σ m معيار مجموعه اندازهگيريها و n تعداد اندازهگيريها در هر نقطه ميباشد. با توجه به اينكه براي كليه نتايج تجربي كه براي تاثير 4
چرخش انجام شده است = 4 n ميباشد. فرمول فوق به شكل زير در تحليل نتايج تجربي استفاده شده است. =.5σ (4) مقدار درصد عدم قطعيت (x) دادههاي ا زمايشگاهي از رابطه زير محاسبه شده است. σ m X % = (5) x كه در ا ن x مقدار ميانگين حسابي دادههاي ا زمايشگاهي σm ميباشد. در شكل 9 مقادير عدم قطعيت دادههاي ا زمايشگاهي را براي عدد چرخش, و در نسبت همارزي در خروجي كوره نشان داده شده است. شكل 9: مقادير عدم قطعيت براي ا لاينده در خروجي و دما در فاصله 9 mm از ابتداي محفظه احتراق براي عدد چرخش, 5-4Bنتيجهگيري كلي نتايج ا زمايشگاهي تا ثير چرخش هوا بر ميزان تشكيل براي حالت پيشا ميخته مورد بررسي و مطالعه قرار گرفت. نتايج اين پژوهش به شرح زير ميباشد. با افزايش عدد چرخش شعله پهنتر شده و طول ا ن كوتاهتر شده است. با اعمال چرخش ناحيه جريان به سه ناحيه: ناحيه برگشت مارپيچي مركزي (CTRZ) ناحيه برگشت گوشه (CRZ) و لايههاي برشي دوتايي (لايههاي داخلي CTRZ و لايههاي بيروني اطراف (CTZ تقسيم شده است. با افزايش عدد چرخش دما در تمامي نواحي كاهش پيدا ميكند و به كمترين مقدار در انتهاي كوره رسيده است. با افزايش عدد چرخش در تمام نسبت همارزيها ابتدا كاهش كم و سپس با افزايش در اعداد چرخش,7 و, مراجع كاهش شديدي اتفاق افتاده است. [] W. Yang and J. Zhang, Simulation of methane turbulent swirling flame in the TECFLAM combustor, Applied Mathematical Modelling, Vol., pp. 88-8, 9. [] Q. Shang and J. Zhang, Simulation of gas-particle turbulent combustion in a pulverized coal-fired swirl combustor, Fuel, Vol. 88, pp. -9, 9. [] J.M. Beer, Low NOx Burners for Boilers, Furnaces and Gas Turbines: Drive towards the Low Bounds of NOx Emissions, paper IL6, Third International Conference on Combustion and Technology for a Clean Environment, Lisbon, 995. [4] N. Syred, A Review of Oscillation Mechanisms and the role of the Precessing Vortex Core (PVC) in Swirl Combustion Systems, Progress in Energy and Combustion Systems, Vol., No., pp. 9-6, 6. [5] A.K. Gupta, D.J. Lilley and N. Syred, Swirl Flows, Abacus Press, Tunbridge Wells, United Kingdom., 984. [6] L. X. ZHOU, X. L. CHEN and J. ZHANG, STUDIES ON THE EFFECT OF SWIRL ON NO FORMATION IN METHANE/AIR TURBULENT COMBUSTION. Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 9, pp. 5-4,. [7] Zhichao Chen, Zhengqi Li, Jianping Jing, Lizhe Chen, Shaohua Wu, Yang Yao, Gas/particle flow characteristics of two swirl burners, Energy Conversion and Management 5, pp. 8 9, 9. [8] C.R. Choi, C.N. Kim, Numerical investigation on the flow, combustion and NOx emission characteristics in a 5 MWe tangentially fired pulverized-coal boiler, Fuel, Vol. 88, 9. [9] R. Kurose, M. Ikeda, H. Makino, M. Kimoto and T. Miyazaki, Pulverized Coal combustion characteristics of high-fuel-ratio coals, Fuel, Vol. 8, pp, 777 785, 4. [] L. Peng and J. Zhang, Simulation of turbulent combustion and NO formation in a swirl combustor, Chemical Engineering Science, Vol. 6, pp. 9 94, 9. [] M.S. Ashrul Ishak, M. Nazri Mohd. Jaafar, THE EFFECT OF SWIRL NUMBER ON REDUCING EMISSIONS FROM LIQUID FUEL BURNER SYSTEM, Jurnal Mekanikal, June 5, No. 9, pp. 48 56,5. [] A. Khelil, H. Naji, L. Loukarfi and G. Mompean, Prediction of a high swirled natural gas diffusion flame using a PDF model, Fuel, Vol. 88, pp. 74-8, 9. [] J. KWARK, Y. JEONG, C. JEON, and Y. CHANG, Effect of Swirl Intensity on the Flow and Combustion of a Turbulent Non- Premixed Flat Flame, Flow, Turbulence and Combustion, Vol. 7, pp. 57, 4. 5