Vol. 46, No. 1, Summer 14, pp. 5-35 نشريه علمي پژوهشي اميرکبير )مهندسي مکانيک( Amirkabir Journal of Science & Research (Mechanical Engineering) (AJSR - ME) بررسي تجربي پديدهي برگشت شعله در محيط متخلخل سراميكي 3 1 سيد عبدالمهدي هاشمي مجيد دستمالچي مجيد نيكفر 1- استاديار دانشکده مهندسي مکانيک دانشگاه کاشان - کارشناسي ارشد تبديل انرژي دانشکده مهندسي مکانيک دانشگاه کاشان 3- کارشناسي ارشد تبديل انرژي دانشکده مهندسي مکانيک دانشگاه کاشان چكيده در اين مقاله چگونگي حرکت شعله در يك سراميك متخلخل با سوخت گاز طبيعي به طور تجربي بررسي شده است. براي رديابي شعله از ترموکوپلهايي در ديوارهي مشعل که در راستاي محور مشعل قرارگرفتهاند استفاده شده است. نتايج به صورت توزيع دماي ديواره در زمانهاي مختلف ارائه شده است. در اين آزمون ها دو حالت در روند حرکتي شعله مشاهده ميشود. حالت اول حرکت سريع شعله به سطح زيرين محيط متخلخل است ( با عنوان پرش شعله از محيط( و در حالت دوم پس از گذشت زماني مشخص شعله به تدريج در درون سراميك نفوذ نموده و پس از طي مسير کوتاهي در درون آن به حالت زير سطح در ميآيد )با عنوان عبور شعله از محيط(. با انجام آزمايشهاي متعدد وقوع هر يك از حاالت فوق با تغيير عواملي همچون نسبت همارزي نرخ آتش چگاي حفره و ضخامت محيط متخلخل بررسي شده است. کلمات کليدي محيط متخلخل احتراق برگشت شعله حرکت موج احتراق. Email: Hashemi@Kashanu.ac.ir
f چگالي حفرهها c p ظرفيت گرمايي ويژه گاز ضريب هدايت حرارتي گاز ميباشد. 1- مقدمه فن آوري مشعلهاي متخلخل با داشتن ويژگيهاي برجستهاي چون افزايش محدوده ديناميکي توان کاهش توليد آلودگي کاهش حجم دستگاه و کاهش توليد سر و صدا و غيره توانسته است که در بسياري از شاخههاي صنعتي همچون صنايع غذايي نيروگاهها و سامانهه يا گرمايش مکانه يا مسکوني و تجاري مورد استفاده و بهرهبرداري قرار گيرد ]1[. نحوه انتقال حرارت در مشعلهاي معمولي از راه جابجايي است که توسط محصوالت احتراق انجام ميشود. در حالي که در مشعلهاي متخلخل عالوه بر جابجايي مکانيزمهاي هدايت و تابش نيز نقش عمدهاي را در انتقال حرارت مشعل ايفا مينمايد. اجسام متخلخل داراي ضريب هدايت حرارتي باالتري نسبت به گازها هستند بنابراين انتقال حرارت در خالف جهت جريان مخلوط گاز از محصوالت احتراق به مواد نسوخته ميسر شده و منجر ميشود تا دماي گاز باالدست )مخلوط نسوخته( به دماي اشتعال برسد. تابش حرارتي و باال بودن ضريب هدايت حرارتي محيط متخلخل عالوه بر اينکه موجب افزايش انتقال حرارت از منطقهي واکنش ميشود موجب کاهش دماي بيشينهي شعله نيز ميشود. کاهش دماي شعله کاهش توليد آالينده NO x را در پي دارد ]1 و [. بيشتر مواد و ترکيبات تشکيلدهنده محيط متخلخل در اين مشعلها سراميکهاي پايدار شده و يا الياف فلزي هستند. مواد پايه سراميکها اغلب شامل سيليکون کربايد )SiC( آلومينا Al O 3 و زيرکونيا ( )ZrO ميباشد. جنس الياف فلزي نيز از آلياژهايي مانند آهن کروم آلومينيوم و يا آلياژهاي نيکل است که مقاومت بااليي در برابر اکسيد شدن در دماهاي باال دارند.][ احتراق در محيطهاي متخلخل به طور جدي از دهه 1 ميالدي به بعد مورد توجه قرار گرفته است. ايجاد اغتشاش در جريان احتراقي اختالط بهتر سوخت و هوا و بهبود مکانيزم احتراق در شعلههاي پيش مخلوط از اهداف اوليه بهکارگيري محيط متخلخل در احتراق است. البته بعدها مزاياي فراوان آنها باعث شد تا تحقيقات وسيعتر و بيشتري در اين زمينه انجام شود. بر اساس آزمايشهايي که توسط بابکين ][ انجام شد استقرار شعله در داخل جسم متخلخل تنها زماني ميتواند صورت گيرد که عدد پکلت تصحيح شده بزرگتر از 6 باشد. عدد پکلت به صورت رابطه )( تعريف ميشود: sl. d m. c p. Pe f f )( که در آن s l d m سرعت شعله آرام قطر معادل برنر و همکاران ]7[ روي شعلهي f گاز و پايدار داخل محيط متخلخل به صورت عددي و آزمايشگاهي مطالعه نمودند. دستگاه آزمايشگاهي آنها يک مشعل 1kW با مقطع مستطيلي بود که توسط يک مبدل حرارتي در ديوارهي آن شعله را در محلي خاص پايدار مينمود. جنس محيط متخلخل پاييندست از ساختار اليهاي Al O 3 و SiC بود. آنها پروفيل دما و ميزان آاليندهها را در مبدل بدست آوردند و با نتايج عددي مقايسه نمودند. نتايج آنها نشان ميدهد که با کاهش نسبت همارزي رقيق هم دماي گاز و هم دماي جامد کاهش مييابد. ديامانتيس و همکاران ]8[ شعلهي پيش مخلوط را در محيط متخلخل مدلسازي نمودند. مدل آنها ساختار شعله را در محيط تک اليه و دو اليه بررسي ميکرد. نتايج نشان داد که در شعلهي پايدارشدهي سطحي سرعت کمتر از سرعت شعلهي آرام است. در مقابل در شعلهه يا مدفون سرعت شعله بيش از سرعت شعلهي آرام است. مين و همکاران ]9[ مطالعهاي تئوري و تجربي در زمينهي احتراق در محيطه يا سراميکه يا متخلخل انجام دادند. آنها در اين تحليل از النه زنبوري استفاده نمودند اين محيطها به صورت استوانهاي و با قطر 7/cm و طول /9cm و داراي تخلخل %76 بود و جنس آنها از منيزيم آلومينا سيليکات بود. نتايج نشان ميداد که بازهي شعلهي و پايداري شعلهپذيري شعله در مقايسه با آزاد بيشتر شده است. همچنين تحليل عددي نشان ميداد شعله در پايين دست جريان پايدار ميشود اما به دليل وجود تلفات حرارتي آزمايشها اين رفتار را نشان نميداد. همچنين در نسبت همارزي 1/99 و 1/ سرعت شعلهي پايدار از سرعت شعلهي آرام بيشتر بود. وگل و الزي ]1[ پايداري شعله را در حالت زير آدياباتيک و فوق آدياباتيک )هنگامي که سرعت شعله کمتر و بيشتر از سرعت شعله آرام باشد( در يک مشعل متخلخل دو قسمتي فلزي از آلياژ آهن و کروم بررسي نمودند آنها در نسبت هم ارزي 1/7 هر دو نوع احتراق را ديدند در هر دو نوع شعله در نزديکي و يا بر روي فصل مشترك دو محيط تشکيل شده است. در نسبتهاي هم ارزي باالتر از 1/7 فقط عملکرد زير آدياباتيک ديده ميشود. همچنين حالت فوق آدياباتيک نمودند. نسبت همارزي کمتر از در فقط را مشاهده 1/6 محققان روسي در زمينه احتراق گذراي مشعلهاي متخلخل تحقيقاتي را انجام دادهاند ][. سيستمهاي احتراق گذرا
)توسط بابکين ][ به عنوان احتراق تصفيهاي معرفي شد( بر تقسيم ميشوند. در رژيم سرعت پايين انتقال حرارت زيادي بين گاز و جامد وجود دارد و موجب چرخش حرارت از محصوالت داغ احتراق به واکنشدهندههاي سرد ميشود که منجر به احتراق فوق آدياباتيک ميشود. پيچيدگيه يا در سيستمهاي احتراق گذرا فراواني وجود دارد زيرا حرکت ناحيه احتراقي نسبت به جامد بسته به اينکه حرکت موج احتراقي همسو يا غير همسو با جريان گاز ورودي باشد اثر فوق آدياباتيک را ميتواند افزايش يا کاهش دهد. در جريان همسو انتقال حرارت اضافي از جامد به باال دست جريان گاز وجود دارد و اثر فوق آدياباتيک افزايش مييابد ]-3[. نتايج عددي ]9[ نشان ميدهد که تحت شرايط مخلوط رقيق مهمترين عامل کنترلکننده موثر بر سرعت موج احتراقي ظرفيت حرارتي محيط متخلخل است. از ديگر سوي ظرفيت حرارتي حداکثر درجه حرارت حداکثر دما دارد. محيط وابستگي در انتقال حرارت همرفتي متخلخل ضعيف ضعيفي اثر و سرعت موج بر نيز توسط محاسبات عددي در اين مرجع نشان داده شده است. از دست دادن گرما به محيط اطراف از طريق ديوارهه يا حداکثر دما موثر هستند. مشعل مشعل نيز در سرعت موج و هاشمي و عطوف ][ اثر ضخامت و تخلخل را بر عملکرد متخلخل تابشي فلزي به صورت تجربي بررسي کردند. آنها به اين نتيجه رسيدند که افزايش نرخ آتش موجب افزايش دماي سطح و کاهش ضخامت محيط موجب افزايش دماي سطح ميشود. هاشمي و همکاران ][ به بررسي نرخ آتش چگالي حفره و نسبت همارزي بر محدودهي پايداري شعله در محيط پايه سرعت انتشار موج احتراقي به رژيمهاي مجزايي متخلخل SiC پرداختند و به اين نتيجه رسيدند که افزايش نرخ آتش محدودهي پايداري شعله در داخل محيط متخلخل را کاهش ميدهد. در مطالعهاي ديگر هاشمي و همکاران ]3[ اثر نرخ آتش و نسبت همارزي مخلوط ورودي را بر عملکرد مشعل متخلخل فلزي به طور تجربي مورد مطالعه قرار دادند و به اين نتيجه رسيدند که باالترين راندمان تابشي در مشعل با سه اليه توري با شبکه ريز در کمترين نرخ آتش حاصل ميشود. در تحقيقات گذشته هاشمي و همکاران ديگر و ]-3[ تحقيقات مرور شده مسئله احتراق در محيط متخلخل به صورت پايدار بررسي شده است و بر اساس بررسي مولفين تاکنون تحقيق تجربي در زمينه احتراق گذرا و بر اساس حرکت شعله با زمان از لحظه جرقه تا رسيدن به پايداري کامل شعله در محيط متخلخل انجام نشده است. شعله در مشعل متخلخل با توجه به اهميت شناخت حرکت در اين تحقيق حرکت شعله داخل محيط متخلخل از سطح مشعل متخلخل تا حالت زير سطح در دو چگالي حفره 9 ppc و 8 ppc در سه نسبت همارزي 1/6 1/86 و 1/76 و نرخ آتش در محدوده محيط متخلخل تک اليه و دو اليه 6-83kW/m مطالعه ميشود. ميزان نفوذ و سرعت نفوذ شعله داخل محيط متخلخل بررسي قرار ميگيرد. - دستگاه آزمايش و همچنين مورد دستگاه آزمايشي که براي اين منظور ساخته شده است شامل قسمته يا مختلفي است. شکل )( طرحواره دستگاه آزمايش را نشان ميدهد. در اين دستگاه از يک پيش مخلوطکن هوا و سوخت استفاده ميشود. اين قطعه به گونهاي طراحي شده است که ابتدا هواي مصرفي از درون مجرا وارد شده و سپس گاز به آن اضافه ميشود. همچنين يک پيچ تنظيم مقدار دبي ورودي مخلوط سوخت و هوا به داخل محفظه احتراق را کنترل مينمايد. با توجه به دامنهي دبيهاي مورد استفاده از دو عدد روتامتر مناسب براي اندازه گيري دبي هوا و گاز استفاده شده است. هواي مورد نياز توسط کمپرسور تأمين ميشود و گاز مصرفي گاز طبيعي شهري است. براي تأمين هوا با فشار bar از يک رگالتور تنظيم فشار استفاده ميشود. اندازهگيري دماي جانبي محيط متخلخل با استفاده از ترموکوپلهاي نوع k انجام ميشود. سر فلزي ترموکوپل با محيط متخلخل در تماس است. دماي ترموکوپلها به طور لحظهاي توسط يک مبدل به رايانه منتقل شده و در آنجا نمايش داده شده و ذخيره ميشود. در اين آزمايش متناسب با شکل محيطهاي متخلخل و براي هم محور قرار گرفتن آنها نگهدارندهاي با مقاومت حرارتي باال ساخته شده است و در سه طرف آن سوراخهايي براي نصب ترموکوپل تعبيه شده است. براي تعيين موقعيت شعله و تغييرات آن دما در هفت نقطه از محيط و دماي مخلوط سوخت ورودي اندازهگيري ميشود. ترموکوپلها به فاصله 6mm از يکديگر و دورتادور محيط قرار دارند و اولين ترموکوپل 3mm زير نشيمنگاه محيط است. موقعيت نماي ترموکوپلها در شکل نشان داده شده است.
شكل )1(: طرحوارهي دستگاه آزمايش
شكل )(: محل قرارگيري ترموکوپلها بر روي نگهدارندهي سراميكي در دستگاه )نماي از باال( 3- کميتهاي آزمايش دبي گاز طبيعي دبي هواي ورودي و چگالي حفره محيط سراميکي عواملي هستند که در اين آزمايشها تغيير نمايند. ضخامت محيط متخلخل در طول آزمايش ثابت است. در اين تحقيق با توجه به اينکه آزمايشها بر حسب تغيير دبي جرمي سوخت و تنظيم دبي هوا هستند بنابراين نتايج بر حسب نرخ آتش بيان ميشوند. نرخ آتش بيانگر ميزان انرژي شيميايي سوخت بر واحد سطح بوده و از رابطه )( بدست ميآيد. LHV m FR A f )( در رابطهي LHV )( ارزش حرارتي پايين سوخت m f د يب جرمي سوخت و A سطح مقطع مشعل است. سطح مقطع مشعل دستگاه مورد آزمايش 3cm ميباشد. عامل ديگري که در اين جا مورد استفاده قرار ميگيرد نسبت همارزي است و به صورت رابطه )3( تعريف ميشود: FAa FA s )3( که در آن منظور از FA a نسبت سوخت به هواي واقعي که در واکنش حضور دارد بوده و منظور از FA s نسبت سوخت به هواي استوکيومتري است. دو نوع فوم سراميکي اکسيد آلومينيوم و اکسيد سيليسيم استفاده شده در شکل )3( نشان داده شده است. درجهبندي محيطه يا متخلخل اغلب بر اساس ميزان تخلخل و يا اندازهي متوسط حفرهها بيان ميشود. ميزان چگالي حفره اين محيطها بر اساس ppc )حفره در سانتيمتر( تعريف ميشود که مقدار آن براي فومهاي استفاده شده 8 9 و حفره در سانتيمتر است. )الف( اکسيد آلومينيوم )ب( اکسيد سيليسيم شكل )3(: فومهاي سراميكي استفاده شده آزمايشها براي نسبت همارزي رقيق 1/6 تا 1/86 که در مشعلهاي متخلخل استفاده ميشود انجام شده است که در هر نسبت همارزي نرخ آتش بين مقادير 8/9kW/m تا 6 kw/m متغير است. بدين منظور دبي هوا و سوخت به گونهاي تنظيم ميشود که نسبت همارزي ثابت باشد. علت به کار گيري مشعلها در نسبت همارزي رقيق عالوه بر کامل بودن احتراق در اين حاالت باال بودن دماي احتراق در نسبتهاي همارزي نزديک به است که موجب ذوب شدن محيط متخلخل ميشود. الزم به ذکر است که حداکثر دماي قابل تحمل اکسيد سيليسيم 61 درجه سلسيوس است. 4- نتايج پس از اينکه فوم سراميکي اکسيد سيليسيم و ترموکوپلها در غالف سراميکي قرار داده شدند شيرهاي کنترل گاز و هوا براي نسبت همارزي و نرخ آتش معين با استفاده از روتامتر تنظيم ميشوند. سپس جريان مخلوط سوخت و هوا جرقه زده ميشود و دماي ترموکوپلها با زمان توسط رايانه ثبت ميشود. طبق آزمايشهاي انجام گرفته ديده شده است که قبل از اينکه شعله به زير سطح محيط متخلخل نفوذ نمايد دو حالت در روند حرکتي شعله قابل مشاهده است. در حالت اول پس از راهاندازي
پ- Temperature[ o C] Temperature[ o C] Temperature[ o C] Temperature[ o C] با گداخته شدن نسبي سطح شعله بدون اينکه به داخل محيط متخلخل نفوذ نمايد به سرعت به زير محيط متخلخل منتقل ميشود. اين حالت عبور آني شعله از محيط ناميده ميشود. در حالت دوم پس از گذشت زماني مشخص شعله به تدريج به درون سراميک نفوذ نموده و پس از طي مسيري درون آن به حالت زير سطح در ميآيد. اين حالت عبور تدريجي شعله از محيط ناميده ميشود. مشاهدهي اين دو حالت توسط ترموکوپلهايي صورت گرفته است که در راستاي محوري مشعل قرار گرفتهاند. شکل 9 اين دو حالت را به صورت نمودار براي دو چگالي حفره و نسبت هم ارزي و در نرخ آتش 3kW/m نشان ميدهد. اولين منحني مربوط به زمان 6 ثانيه پس از زدن جرقه و آخرين منحني نيز دماي محوري مشعل را درست قبل از عبور کامل شعله نشان ميدهد 6 3 55 5 45 4 35 t=5 t= t=57 t=74 t=751 Porous Media 5 t=5 t= t=55 t=95 t=17 Porous Media 3 Firing Rate=366kW/m 15 Firing Rate=366kW/m 5 1 15 1 5 5-4 -3 - -1 1 3 X[mm] )ب( 6-4 -3 - -1 1 3 X[mm] )الف( 55 5 45 4 35 3 5 t=5 t=5 t=1 t=166 t=187 Firing Rate=366kW/m Porous Media 4 35 3 5 t=5 t=5 t=1 t=13 t=137 Firing Rate=366Kw/m Porous Media 15 15 1 1 5 5-4 -3 - -1 1 3 X[mm] )ت( -4-3 - -1 1 3 X[mm] )پ( شكل )4(: نمودارهاي دماي محوري مشعل قبل از برگشت شعله در زمانه يا همارزي /57 و /87 در نرخ آتش.333kW/m مختلف براي دو چگالي حفره 4ppc و 8ppc در دو نسبت با توجه به شکل )9( فقط در چگالي حفره 9ppc و نسبت همارزي 1/86 )شکل 9 -پ( عبور تدريجي شعله از محيط متخلخل داريم و در بقيه حاالت عبور آني شعله از محيط متخلخل داريم. با توجه به شکل )9 ) از زمان 1 ثانيه به بعد شعله به تدريج در داخل سراميک متخلخل نفوذ ميکند. همچنين شکل )9( نشان ميدهد که دما در نزديکي سطح محيط متخلخل در چگالي حفره 8ppc )شکل 9 -ب و ت( بيشتر از 9ppc )شکل 9 -الف و پ( است. زمان برگشت شعله در چگالي حفره 8ppc و نرخ آتش 1/76 در شکل ) -ب( بيشتر از ساير چگالي حفرهها و نرخ آتشها است. در چگالي حفره 9ppc و نسبت همارزي 1/86 )شکل 9 -پ( عبور شعله از محيط داريم. ولي اين پديده در شکل ) 9 -الف( ديده نميشود. با توجه به اينکه ميزان انرژي آزاد شده در نسبت هم ارزي 1/86 بيشتر از نسبت هم ارزي 1/76 است و تابش
صادره به اليه زيرين سطح نيز بيشتر است در نتيجه شعله به داخل سراميک نفوذ ميکند. در چگالي حفره 9ppc نسبت به چگالي حفره 8ppc تابش بيشتري به دليل اندازه قطر بيشتر حفرهها به اليهه يا پاييني سراميک نفوذ کرده است و شعله به محيط نفوذ ميکند و از آنجا که شعله در زمان بازگشت به پايين محيط نزديکتر است دماي T در زمان برگشت شعله بيشتر است. جدول ) (وقوع پديدههاي مربوط به حاالت )پرش شعله از محيط( و )عبور شعله از محيط( را در دو چگالي حفره 9ppc و 8ppc نشان ميدهند. از جدول ديده ميشود که به وجود آمدن دو حالت و در يک آزمايش بستگي به چگالي حفره نرخ آتش و نسبت همارزي دارد. براي سراميک با چگالي حفره 9ppc در دو نسبت همارزي 1/6 و 1/86 هر دو حالت و رخ ميدهد. اما در 1/76=φ در همه نرخ آتشها فقط حالت رخ ميدهد. همچنين در 1/6=φ تعداد دفعاتي که حالت اتفاق ميافتد کمتر از اين تعداد در 1/86=φ مي باشد بدليل اينکه در نسبت هم ارزي 1/6=φ و چگالي حفره 8ppc برگشت شعله رخ نميدهد. در اين نسبت همارزي و چگالي حفره ستونهاي مربوط به 1/6=φ حذف شدهاند. همچنين در سراميک با چگالي حفره 8ppc به غير از نرخ آتش 6kW/m در 1/86=φ در تمامي آزمايشها حالت اتفاق ميافتد. با افزايش نسبت همارزي اثرات حرارت تابشي به اليه هاي زيرين سراميک بيشتر است بنابراين شعله به اليههاي پاييني سراميک نفوذ ميکند. عالوه بر اين طبق رابطه )( عدد پکلت با نسبت همارزي رابطه مستقيم دارد و هرچه نسبت همارزي s l و عدد پکلت بزرگتر ميشود در نتيجه احتمال بيشتر شود اينکه در نسبت همارزي 1/86 شعله درون سراميک تشکيل شود بيشتر است. در يک نرخ آتش معين با افزايش درصد هوا و کاهش φ سرعت جريان زيادتر ميشود بنابراين حرارت بيشتري از ناحيه باال دست سراميک متخلخل توسط جابجايي جريان گرفته ميشود. بنابراين در نسبت هم ارزي 1/6 برگشت شعله رخ نميدهد. در سراميک با چگالي حفره 8ppc به دليل تماس بيشتر سطح جانبي محيط متخلخل با ديوارهي )نگهدارندهي( سراميکي حرارت اتالفي به ديوارهه يا جانبي بيشتر ميشود. به عالوه در اين نوع سراميک مقدار تابش صادره از سطح داغ به محيط اطراف )نسبت به تابش نفوذي به اليهه يا زيرين( بيشتر است. عبور مخلوط هوا و گاز سرد نيز در برخورد با شبکهي جامد متراکمتر سبب ميشود تا اليهه يا زيرين مادهي متخلخل خنک شوند. همچنين عدد پکلت به دليل کمتر بودن اندازه قطر حفره- s l کمتر است مجموعهي اين عوامل باعث ميشوند که در ها و سراميک با چگالي حفره 8ppc برگشت شعله ديرتر رخ دهد. براي بقيه نسبته يا همارزي عبور آني شعله از محيط را داريم. جدول 1: بررسي وقوع حاالت 1 )پرش شعله از محيط( و )عبور شعله از محيط( در سراميك با چگالي حفره چگالي حفره 4ppc و 8ppc براي نسبت همارزي /57 /37 و /87 چگالي حفره 9ppc نرخ آتش 8ppc (kw/m ) 1/6 1/76 1/86 1/76 1/86 83 )الف( 1 6 93 39 3 91 939 97 6 )ب(
Temperature[ o C] 5 45 4 35 3 5 T T3 T4 T5 T6 T7 15 1 5 1 3 4 5 6 7 8 9 Time[sec] دماي T تا T7 )ج( شكل )7(: نمودارهاي دماي محوري مشعل قبل از برگشت شعله در زمانهاي مختلف براي حالت ترکيبي چگالي حفره /87 در )الف ) نرخ آتش 183kW/m ب) نرخ آتش 453kW/m 4ppc و 8ppc در نسبت همارزي ) نرخ آتش 333kW/m )ج( براي بررسي اثر ضخامت محيط متخلخل يک سري آزمون در حالت ترکيبي دو محيط 8ppc و ppc انجام شده است به طوري که محيط متراکمتر در زير و محيط با سوراخه يا درشتتر در باال قرار دارد. در اين شرايط تعداد 6 ترموکوپل در محيط متخلخل بااليي )منطقه احتراق( و يک ترموکوپل در سطح تماس دو محيط متخلخل ولي در تماس با محيط با حفرههاي ريزتر )محيط زيرين( قرار دارد و همچنين ترموکوپلي دماي مخلوط ورودي را اندازه گيري ميکند. اين تست در نسبت هم ارزي 1/86 و در سه نرخ آتش انجام شده است که نتايج آن در شکل )6( نشان داده شده است. از شکل 9 ديده ميشود که شعله در محيط با حفره هاي درشتتر تشکيل شده است بنابراين برگشت شعله رفتاري مشابه با حالت تک اليهاي با حفرههاي درشت دارد. افزايش ضخامت محيط متخلخل بر روي زمان برگشت شعله تأثير ميگذارد به طوري که با دو برابر شدن ضخامت محيط متخلخل زمان برگشت شعله دو برابر ميشود. براي پي بردن به چگونگي فرايند تغيير دماي محوري مشعل با زمان شکل )9( نمونهاي از نمودار زماني دماي ترموکوپله يا T تا T7 را براي نرخ آتش 6kW/m در 1/86=φ در چگالي حفره 8 ppc نشان ميدهد. اين شکل زمان افزايش ناگهاني دماي ترموکوپله يا T5 و T6 را نيز نشان ميدهد که معيا ير از نفوذ شعله به داخل محيط متخلخل است. شكل )3(: نمودار زماني همارزي /87 و نرخ آتش.71kW/m در چگالي حفره 8 ppc نسبت با توجه به شکل )( قبل از اينکه پديد يه برگشت شعله به حالت زير سطح رخ دهد ترموکوپلي که در نهايت به دماي بيشينه ميرسد )و البته از دماي T7 بيشتر است( در يک زمان ناگهان دماي آن صعود پيدا مينمايد. اين افزايش ناگهاني به دليل نزديک شدن شعله به سطح و افزايش ميزان انتقال حرارت تابشي و هدايت به اليهه يا زيرين سطح است. بر اين اساس مبناي محاسبهي سرعت نفوذ شعله به داخل سراميک به اين گونه است که: حداکثر فاصلهي مکان تشکيل شعله تا سطح به عنوان فاصلهي مکاني و بازهي زماني بين زمان شروع برگشت شعله تا افزايش ناگهاني دما به عنوان زمان نفوذ شعله در نظر گرفته شده است. در شکل )7( سرعت نفوذ شعله بر حسب نرخ آتش براي دو نسبت همارزي 1/6 و 1/86 نشان داده شده است. ديده ميشود که سرعت نفوذ براي نسبت همارزي 1/6 با افزايش نرخ آتش کاهش مييابد. براي نسبت همارزي 1/86 سرعت نفوذ ابتدا افزايش يافته و سپس به طور ناگهاني کاهش مييابد. نکتهي ديگري که شکل )( نشان ميدهد آن است که سرعت نفوذ در داخل محيط متخلخل سراميکي از جنس SiC در مقايسه با سرعت جريان )و نيز سرعت شعلهي آرام( بسيار کمتر است. سرعتهاي نفوذ شعله در وضعيتهاي نشان داده شده از مرتبهي mm/s هستند. نتيجهي بدست آمده در اين مطالعه مشابه نتيجهاي است که در مرجع ]3[ براي مخلوطهاي بسيار رقيق )در حد 1/=φ( گفته شده است.
t s (sec) FB VELOCITY (m/s).4.35.3.5..15.1.5 3 4 5 FIRIG RATE (kw/m ) شكل )7(: سرعت نفوذ شعله بر حسب نرخ آتش در دو نسبت همارزي 7- بررسي خطاهاي آزمايش يکي از مباحث مهمي که در انجام مطالعات آزمايشگاهي مطرح ميشود برآورد ميزان خطاي موجود در نتايج است. خطاهايي که در يک فرايند آزمايشگاهي ميتواند به وجود آيد شامل خطاي موجود در وسايل اندازهگيري خطاي اندازهگيري و خطاي موجود در محاسبات هستند. با توجه به ساده بودن معادالت بهکار رفته و کم مقدار بودن حجم محاسبات ميزان خطاي ناشي از گرد نمودن و عمليات محاسباتي بسيار اندك و قابل چشمپوشي است. خطاهاي موجود در يک وسيله در بدترين حالت با هم جمع ميشوند. خطاهاي موجود در ابزارهاي اندازهگيري با توجه به مشخصات ارائه شده از طرف سازندگان عبارتند از: خطاي ثبت زمان ناشي از پاسخ زماني ترموکوپلها خطاي خواندن دماي ترموکوپل: 1 درجه سلسيوس خطاي اندازهگيري دما به وسيله ترموکوپل: تا 9 درجه سلسيوس خطاي روتامتر گاز: 1/ ليتر بر دقيقه خطاي روتامتر هوا: 1/9 مترمکعب بر ساعت عالوه بر خطاهاي فوق مربوط به ترموکوپلها خطاي ناشي از پاسخ زما ين يا واکنش ترموکوپلها به طور معمول به عنوان يک عامل محدودکننده در اندازهگيري دماي گذرا تلقي ميشود. دماهاي اندازهگيري شده بر حسب زمان بدون در نظر گرفتن اثر پاسخ زماني ترموکوپلها از قطعيت مناسبي برخوردار نيست و پاسخ زماني ميتواند تأثيرات مهمي در خطاي آزمايش در حالت گذرا داشته باشد ]6[. بدين منظور آزمايشهايي براي پي بردن به اثر پاسخ زماني ترموکوپل در خطاي اندازهگيري دماها انجام شد. روش آزمايش به اين شرح است که شعله پايدار و مدفون )در اين حالت دماي محيط متخلخل نسبت به زمان ثابت است( در محيط متخلخل ايجاد ميشود سپس ترموکوپلهايي را که در دماي محيط هستند با سطح محيط متخلخل تماس داده ميشوند و افزايش دماي ترموکوپلها با زمان توسط رايانه ثبت ميشود. پس از رسيدن به حالت پايا و عدم تغيير دماي ترموکوپلها دماي پايا T s و زمان پاسخ t s اندازه گيري ميشود )زمان پاسخ زمان مورد نياز براي رسيدن به 1/3 دماي پايداري است ]6[(. اين آزمايش چندين بار براي دماهاي مختلف سطح محيط متخلخل انجام ميشود. با استفاده از دادههاي بهدست آمده براي دماي پايداري و زمان پايداري يک منحني با استفاده از نرمافزار لب فيت برازش داده ميشود. رابطه زمان پايداري بر حسب دماي پايداري با توجه به برازش دادهها به صورت رابطه )9( است: t s = s 1/(-.917T +.367) )9( در شکل )7 فلا- ) نمودار برازش شده زمان پايداري بر حسب دماي پايداري معادله )9( به همراه دادههاي تجربي رسم شده است. دماهاي ثبت شده ترموکوپلها بر حسب زمان با استفاده از دماي پايداري ( s T( و زمان پايداري ( s ) t بي بعد شده است. يک منحني از ميان دادههاي بي بعد دما و زمان با استفاده از نرم افزار لب فيت برازش داده شده است. معادله )6( دماي بي بعد بر حسب زمان بيبعد است: T t 1-.956exp(-4.673 ) T s t s 36 34 3 3 8 6 4 Experimental data EQ (4) 3 T s ( o C) 4 5 )الف( )6(
Error (%) افزايش و با زمان کاهش يافته و از زمان 31 ثانيه به بعد خطا کمتر از 1 درصد بوده و اين مقدار با کاهش دما و افزايش زمان کاهش مييابد. 1.8 Experimental data EQ (5) 3- نتيجهگيري T/T s.6.4..5 1 t/t 1.5.5 s )ب( 5 45 4 35 3 5 15 1 5 t=1 sec t= sec t=3 sec t=4 sec 1 T ( o 3 C) 4 5 )ج( )( شكل )5(: )الف( زمان پاسخ t s بر حسب دماي پايداري T s ترموکوپل )ب( دماي بي بعد بر حسب زمان بي بعد )ج( درصد خطاي پاسخ زماني ترموکوپل بر حسب دماي ترموکوپل در شکل )7- ب( دماي بي بعد ترموکوپل بر حسب زمان بيبعد براي دادههاي تجربي و منحني برازش شده بر دادههاي تجربي نشان داده شده است. درصد خطاي پاسخ زماني ترموکوپل را ميتوان با استفاده از معادله )( بدست آورد: T Error(%) 1 (1 T s ) در اين تحقيق خطاي ترموکوپل بر حسب دماي ترموکوپل T با استفاده از حل معادالت )9( و )6( بدست آمده است. در شکل ) 7 -ج( خطاي پاسخ زماني ترموکوپل بر حسب دما رسم شده است. ديده ميشود که خطاي پاسخ زماني با افزايش دما در اين مقاله چگونگي حرکت شعله در يک سراميک متخلخل از جنس سراميک با تغيير عواملي همچون نسبت همارزي ميزان تخلخل نرخ آتش ضخامت محيط متخلخل در شرايط گذرا به صورت تجربي پرداخته شد و نتايج زير حاصل شد: )( در آزمايشها ديده شده است که قبل از اينکه شعله به حالت زير سطحي درآيد دو حالت در روند حرکتي آن پديد ميآيد. در حالت اول پس از راهاندازي پس از گداخته شدن نسبي سطح به سرعت به سمت پاييندست سراميک منتقل ميشود. در اين حالت شعله در داخل سراميک نفوذ نمينمايد. در حالت دوم پس از آنکه سراميک گرم شد شعله به تدريج در درون سراميک نفوذ نموده و پس از طي مسير کوتاهي به حالت زير سطح در ميآيد. )( بر خالف ايجاد رژيم فوقآدياباتيک در نسبت همارزي 1/6 بر خالف چگالي حفره 9 در چگالي حفره 8 برگشت شعله رخ نميدهد. )3( در چگالي حفره 8 تنها در نرخ آتش 6kW/m در 1/86=φ برگشت نمايد رخ ميدهد. در بقيهي شرايط مربوط به اين چگالي حفره پرش شعله از محيط روي ميدهد. )9( حداکثر ميزان نفوذ شعله در داخل محيط متخلخل برابر cm است. )6( سرعت نفوذ شعله در داخل محيط متخلخل در برگشت کند از مرتبهي mm/s است. تشكر و قدرداني نويسندگان مايلند از پژوهشکده انرژي دانشگاه کاشان بخاطر حمايت از اين تحقيق و و آقاي مهندس حسين عطوف به خاطر همکاري تشکر و قدرداني نمايند. ][ ]3[ 5- مراجع ][ و هاشمي س. ع. و عطوف ح بررسي تجربي اثر ضخامت تخلخل نشريه بر علمي- عملکرد پژوهشي مشعل سوخت تابشي و شماره دوم پاييز و زمستان 388. متخلخل احتراق سال فلزي دوم هاشمي س. ع اماني ج. عطوف ح بررسي تجربي پايداري شعله در محيط متخلخل کاربيد سيليسيمي علمي مجله تابستان 391. س. هاشمي پژوهشي نيکفر ع اميرکبير م. سال 93 شماره معتقدي فرد ر بررسي تجربي اثر نرخ آتش و نسبت هم ارزي بر عملکرد مشعل متخلخل فلزي تابشي مجله علمي پژوهشي اميرکبير
Vogel, B. J., and Ellzey J. L., Subadiabatic and Superadiabatic Performance of a Two-Section Porous Burner, Combust. Sci. and Tech., 177, pp. 133-1338, 5. Abdul Mujeebu, M., Abdullah, M.Z., Abu Bakar, M.Z., Mohamad, A.A., Abdullah,,. M.K A review of investigations on liquid fuel combustion in porous inert, media Journal of Environmental Management, 9, pp. 87 31, 9. Wood, S., burnersporous,. T. A, Harris for lean-burn, applications Progress in Energy and Combustion Science, 34, pp. 667 684, 8. Singh, M., Singh, L.P, Husain, A., Propagation of nonlinear travelling waves in Darcy-type porous media, Acta Astronautica, 67, pp. 153 158, 1. Shih, J.R., Xie, M.Z., Liu, H., Li, G.,, Zhou,. L Numerical simulation and theoretical analysis of premixed lowvelocity filtration, combustion Heat and Mass Transfer, 51, pp. 1818 189, 8. Manual on the use of thermocouples in temperature measurement, Fourth Edition, sponsored by ASTM Committee E on Temperature Measurement. ]1[ ][ ][ ]3[ ]9[ ]6[ 391. تابستان شماره سال 93 Mobbauer, S., Pickenacker, O., Pickenacker, K., and Trimis, D., Application of the Porous Burner Technology in Energy-and Heat- Engineering, Proceeding of 5th Int. Conf. on Technologies and Combustion for a Clean Enviro. Clean Air. Lisbon, 3, pp. 185-198,. Christo, F.C., A Parametric Analysis of a Coupled Chemistry-Radiation Model in Poious Media, DSTO Research Report RR- 188,., Babkin,. V Filtrational combustion of gases: present state of affairs and, prospects Pure Appl, Chem, 65 pp. 335 44, 1993. Brenner, G., Pickenäcker, K., Pickenäcker, O., Trimis, D., Wawrzinek, K., and Weber, T., Numerical and experimental investigation of matrixstabilized methan/air combustion in porous inert media, Combustion and Flame, 13, pp. 1-13,. Diamantis, D.J., Mastorakos, E., and Goussis, D.A., Simulations of premixed combustion in porous media, Combustion Theory and Modeling, 6, pp. 383-411,. ]9[ ]6[ ][ ]7[ ]8[ Min, D.K., and Shin, H.D., Laminar premixed flame stabilized inside a honeycomb ceramic, International Journal of Heat and Mass Transfer, 34, pp. 341-356, 1991. ]9[ زيرنويس 8- Filtration Combustion