منصة الرسائل والاطاريح: تقصي عملي و عددي لتأثير نوع الوقود على إرتفاع اللهب

الخلاصة

تتضمن الدراسة الحالية التقصي العملي والعددي لتأثير نوع الوقود المستخدم وتركيبته على كل من إرتفاع اللهب وخصائصه فضلاً عن دراسة الملوثات الناتجة وذلك للإحتراق المسبق الخلط لغاز البترول المسال LPG ضمن أنبوب مدور المقطع. وقد تم تجربة مزج غاز LPG مع وقود الهيدروجين إلى جانب تجربة تخفيف الخليط من خلال إضافة غاز ثاني اوكسيد الكاربون مع ملاحظة تأثير كل من نسبة تكافؤ الوقود مع الهواء، معدل الجريان للخليط، نسبة عرض الموقد إلى إرتفاعه، وكذلك دراسة نوعين من الموقد الدوامي وغير الدوامي. إن لدراسة إرتفاع اللهب آثار بارزة من خلال تأثيره على تصميم نظام الإحتراق وعملية إنتقال الحرارة فضلاً عن العديد من الإعتبارات البيئية والإقتصادية. فيما يتعلق بالجانب العملي من الدراسة، فقد تم بناء وتجميع منظومة لتناسب إجراء تفاصيل التجارب العملية المطلوبة لتحقيق الإحتراق مسبق الخلط. تم إستخدام كاميرا ذات دقة عالية تدعم تقنية التصوير السريع لتصوير اللهب وتسجيل التكون اللحظي له. أجري تحليل صور اللهب بطريقتين: بتقنيات تحليل الصور الرقمية لبرنامج الماتلاب وكذلك بطريقة معايرة القياسات للأبعاد الهندسية للصورة ببرنامج الأوتوكاد. تضمنت التجارب العملية تجربة خمس نسب تكافؤ للوقود والهواء (0.6، 0.8، 1، 1.2، و 1.4)، خمس نسب لمزج الهيدروجين بالوقود (0%، 10%، 20%، 30%، و 40%)، أربع نسب لغاز ثاني أوكسيد الكاربون (0%، 5%، 7.5%، و 10%)، خمس قياسات لتناسب العرض والطول للمحرق غير الدوامي (2، 4، 6، 8، و 10) وجميعها أجريت بتغيير معدل الجريان ما بين مدى إرتجاع اللهب وإنفصال اللهب. زيادة على ما تقدم، فقد تم إختبار قياسين للمحرق الدوامي أحدهما ذي خمسة والآخر ذي 9 ريشات. تضمنت الدراسة العددية إجراء محاكاة ثنائية الأبعاد لنموذج الإحتراق من خلال إستخدام برنامج (CFD OpenFOAM) ونموذج الحل (XiFOAM) للتنبؤ بإرتفاع المنطقة الداخلية للهب وتوزيع درجات الحرارة طوليًا وعرضيًا ، وتقدم التفاعل الكيميائي. علاوة على ذلك ، تتنبأ الدراسة العددية من حيث النوعية والكمية بتكوين نواتج الاحتراق. تمت محاكاة إحتراق خليط غاز البترول المسال / الهواء لنسب التكافؤ (1 ، 1.2 ، 1.4 ، و 1.6) عند معدل جريان 6 لتر / دقيقة. وكذلك محاكاة تأثير الجريان لـمعدلات (4 ، 5 ، 6 ، 7 ، و 8 لتر / دقيقة) وضمن ظروف متكافئة. إلى جانب ذلك ، تم إجراء محاكاة لتأثير مزج الهيدروجين لنسب (0٪ ، 5٪ ، 20٪ ، 40٪ ، و 50٪). لوحظ أن نسبة التكافؤ هي المسيطر الأكبر على إرتفاع اللهب ولجميع أنواع الخلائط والتركيبات وفي جميع ظروف التشغيل. أيضًا لوحظ بأنه يتسع سمك منطقة التفاعل عندما تزداد نسبة التكافؤ. يزداد الطول المقاس عملياً للمنطقة الداخلية للهب واللهب المرئي لغاز LPG من 18.7 مم إلى 34.4 مم ومن 35.8 مم إلى 56.5 مم على التوالي عند زيادة نسبة التكافؤ من 1 إلى 1.4. يكون تأثير معدل تدفق خليط الوقود / الهواء على إرتفاع اللهب ونسبة أبعاد اللهب تأثيراً إيجابياً. يقلل مزج الهيدروجين من نسبة أبعاد اللهب بينما يؤدي التخفيف بثاني أكسيد الكربون إلى زيادتها. تؤدي زيادة نسبة التكافؤ أو معدل التدفق إلى إطالة اللهب بشكل كبير عند التخفيف بثاني أكسيد الكربون نظراً لوجود عوامل متعددة متصاحبة في تأثيرها في إتجاه واحد. فيما يتعلق بخليط LPG-H2-CO2 / الهواء ، لوحظ أن الإستطالة الحاصلة في اللهب نتيجة ثاني أكسيد الكربون تتفوق على قصر اللهب الناتج عن مزج الوقود بالهيدروجين H2. يولد مزيج (LPG-5%CO2-10%H2) ومزيج (LPG-10%CO2-30%H2) في ظروف الخلط المتكافئ لهباً أطول بنسبة 3% و 20% على التوالي مقارنةً باللهب الناتج عن غاز البترول المسال. تزداد نسب الإستطالة هذه إلى 12%و 30% عندما تكون نسبة التكافؤ 1.2 ولنفس الخلائط المبينة آنفاً. تؤثر نسبة أبعاد الموقد على ارتفاع اللهب بشكل ضئيل. يقصُرُ اللهب بشكلٍ واضحٍ عند استخدام الموقد الدوامي للمخاليط المتكافئة والغنية بالوقود في حين لا يكون هناك تغيير ملحوظ في حالة المزيج قليل الوقود. علاوة على ذلك ، عند زيادة العدد الدوامي سيزاد ارتفاع اللهب قليلاً. أيضًا ، يعمل الموقد الدوامي على تقسيم منطقة اللهب الداخلي إلى أجزاء مساوية لعدد الريش منتجة لهب بشكل يشبه الزهرة عندما تكون معدلات التدفق منخفضة. فيما يتعلق بمدى إستقرارية اللهب ، فإنها تزداد بزيادة نسبة التكافؤ وكذلك فهي تتحسن نتيجة مزج الهيدروجين أو التخفيف بثاني أكسيد الكربون. يساعد ثاني أكسيد الكربون على تمكين اللهب من التغلب على ظاهرة إرتجاع اللهب، بينما يؤدي المزج بالهيدروجين إلى رفع حدود إرتجاع وانفصال اللهب نحو معدلات تدفق أعلى. إن استخدام الموقد الدوامي يعزز من إستقرارية اللهب بشكل كبير عندما تكون نسبة التكافؤ تساوي 1 أو 1.2 بينما يلاحظ العكس عندما تساوي 0.8. تنخفض درجة الحرارة القصوى المتوقعة للهب من 2383 كلفن إلى 1840 كلفن ثم إلى 1608 كلفن ولنسب التكافؤ 1 و 1.4 و 1.6 على التوالي لغاز البترول المسال. تتسبب زيادة معدل التدفق في إنخفاض طفيف في درجة حرارة اللهب بسبب زيادة الحرارة المتحررة من اللهب نظراً لزيادة المساحة السطحية. لوحظ ظهور زيادة متواضعة في درجة حرارة اللهب عند مزج الهيدروجين حيث تزداد بمقدار 12 كلفن عند مزج 50٪ من الهيدروجين مع غاز البترول المسال ولظروف التكافؤ القياسية. تزداد درجة الحرارة على طول المنتصف بشكل حاد ولحظي (حوالي 2000 كلفن لغاز البترول المسال ولظروف التكافؤ القياسية خلال منطقة التفاعل. بعد ذلك ، تبدأ درجة الحرارة في الإنخفاض بشكل رتيب (حوالي 195 كلفن). داخل منطقة التسخين المسبق تكون درجة الحرارة في أدنى معدلاتها عند المنتصف وتزداد بإتجاه محيط اللهب. خارج اللهب، يصبح الأمر معكوساً حيث تتوزع درجة الحرارة في شكل مكافئ وتكون شديدة عند المنتصف وتقل بإتجاه الأطراف. تبين عمليات المحاكاة العددية إلى أن أكبر كمية من الوقود والأوكسجين تستنفد ضمن منطقة التفاعل حيث يكون معدل الزيادة هو الأكثر حدة في درجة الحرارة وعامل التقدم على طول خط منتصف اللهب. في نفس الوقت ، فأن الزيادة الأكبر في الكسور الجزيئية لنواتج الإحتراق تظهر في هذه المنطقة الصغيرة. بعد هذا التغيير الحاد ، ستبقى قيم الكسور الجزيئية ثابتة تقريبًا بسبب إكتمال الإحتراق. فيما يتعلق بتكوين الملوثات ، تنخفض الكسور الجزيئية لثاني أكسيد الكربون في حين تزداد لأحادي أكسيد الكربون عند زيادة نسبة التكافؤ. تنتج زيادة معدل التدفق تغيراً طفيفاً في قيم الكسور الجزيئية للمواد المتفاعلة أو الناتجة. مزج الهيدروجين في ظروف متكافئة يقلل من الكسور الجزيئية للأوكسجين و ثنائي أكسيد الكربون. يقلل احتراق خليط (LPG-H2 50%) الكسور الجزيئية للأوكسجين وثنائي أكسيد الكربون بحوالي 3٪ و9٪ على التوالي بينما تزداد للوقود بحوالي 78٪ مقارنة بوقود LPG. تظهر مقارنة النتائج الحالية تطابقاً جيدًا بنسبة خطأ بحوالي 2.8٪ و1.8٪ لإرتفاع منطقة اللهب الداخلية المقاسة والمتوقعة لخليط LPG وLPG-H2 على التوالي. تمت مقارنة درجة الحرارة القصوى المتوقعة للهب غاز LPG مع بعض الأعمال السابقة وكان متوسط الفرق حوالي 1.2٪. تُظهر النتائج العددية للكسور الجزيئية لمواد الإحتراق التي تمت دراستها عند مقارنتها مع عمل سابق نفس السلوك العام للمنحنيات.