شیمی

وابستگي سرعت لايه اي شعله متان,پروپان و اتيلن به دماي اوليه و غلظت رقيق كننده بي اثر

خلاصه:

در احتراق با شعله , سرعت لايه اي شعله يك پارامتر مهم در توصيف احتراق متلاطم است. محاسبات با استفاده از يك مكانيزم جنبشي شيميايي كه اثر نسبت هم ارزي و دماي اوليه روي سرعتهاي شعله متان, اتيلن و پروپان را با هوا و در فشار اتمسفر مشخص مي كند انجام شده است.

اين نتايج با داده هاي موجود در منابع چك شده اند و سپس براي دماهاي خيلي بالا كه عموماً در جريانهاي گردابه اي مورد توجه هستند برون يابي شده اند.

رابطه ساده اي براي توصيف آنها در گستره 300k تا 1100k با حدود% 10 خطا براي اهداف مدل سازي توسعه يافته است.

رقيق كردن سوخت با دي اكسيد كربن در زمينه سوختهاي تركيبي, بيوگاز ها مورد توجه است بنابراين اثر آن نيز محاسبه شده است. مقايسه با رقيق كردن توسط نيتروژن نشان مي دهد كه نقش يك گونه واكنش پذير را بازي مي كند.

 

مقدمه:

سرعت لايه اي شعله توسعه نيافته SL نه فقط براي شعله هاي لايه اي بلكه در مفاهيم شعله ور شدن احتراق متلاطم و خاموشي نيز با اهميت است. بسياري از محققين به طور تجربي سرعت شعله سوختهاي معمول گازي , متان , پروپان و اتيلن با هوا در موقعي كه واكنش ها در دماي اتاق شروع مي شود را محاسبه كرده اند . داده هاي كمتري براي دماهاي اوليه بيشتر, به خصوص سوختهاي غير- استوكيومتريك حتي براي سيستم هاي واقعي كه معمولاً يك پيش گرم داخلي يا خارجي وجود دارد در دست است. به علاوه علاقه رو به افزايشي براي سوختهاي تركيبي يا بيوگازها وجود دارد, درجايي كه متان به طور عمده به وسيله دي اكسيد كربن رقيق مي شود. اينكه تا چه اندازه اين رقيق كننده خنثي است مي تواند به وسيله رقيق كردن با نيتروژن تست شود. بنابراين چندين عامل در توليد يك بانك داده جامع و نامتناقض براي سوزاندن CH4 در دماي بالا و رقيق كننده هاي CO2 و N2 وجود دارد.

حداقل در آزمايشگاه داده هاي مشابهی براي C2H4 و C3H8 قابل انتظار است. روش اين مقاله محاسبه اختلاف SL با يك مدل شيميايي جنبشي است, تطبيق شده با كد Wang كه در مقابل داده هاي تجربي تا جاييكه وجود داشته اند چك شده اند.

 

اهداف مخصوص:

  1. محاسبه سرعت شعله متان , اتيلن و پروپان در فشار اتمسفر در گستره كامل نسبت هاي هم ارزي رقيق به عنوان يك تابع از دماي اوليه از 300k به بالا.
  2. محاسبه اثر اضافه كردن CO2 و N2 به اين سوختها و بررسي اينكه CO2 تا چه اندازه مي تواند به عنوان يك رقيق كننده بي اثر در نظر گرفته شود.
  3. مرتبط كردن نتايج محاسبه شده براي فراهم كردن عبارتي با دقت مناسب براي پيش بيني مدل هاي شعله.

 

 

 

محاسبه مدل ها:

محاسبات جنبشي شيميايي به تفصيل توسط مدل گسترش يافته كد PREMIX مجموعه برنامه هاي Chemkin II انجام شده است.

كارهاي جديد انجام شده در اين مقاله شامل سهولت افزايش دماي اوليه و به كارگيري حل همگرا شده قبلي به عنوان حل اوليه جهت كم كردن زمان مورد نياز CPU است.

شبيه سازي شعله يك محدوده 20cm را در بر مي گيرد و متجاوز از 150 شبكه گره براي اطمينان از كاهش وابستگي حل به شبكه استفاده شده است. خواص متوسط منتقل شده مخلوط از پايگاه داده موجود در Chemkin استخراج شده است. در ابتدا از خصوصيات خوب و تست شده مدل جنبشي Gri-Mech3.0 استفاده شده است.

ضمن اينكه مكانيزم داده شده شبيه سازي عالي براي متان مي دهد و انحراف قابل توجهي براي پروپان و اتيلن دارد, Gri-Mech3.0 نتايج سرعت شعله براي اين سوختها را نيز پيش بيني مي كند.

اخيراً مكانيزمي به وسيله Wang و همكارانش بر پايه Gri-Mech3.0 منتشر شده كه بر پايه توجه ويژه به شيمي C3 گسترش يافته است [4].

اين مكانيزم براي استفاده در اين مطالعه با حذف شيمي C4 براي كاهش سايز كلي مدل به 323 واكنش و 46 گونه تطبيق يافته است.

داده هاي انتقال و ترموديناميك با دانلود از سايت مدل وانگ قابل دسترسي هستند.[1] جنبه كليدي اين مقاله در مدل كردن سرعت شعله در دماهاي بالا است همان طور كه پيش بيني مي شود سرعت شعله با افزايش دما افزايش مي يابد.

اين امر نشان مي دهد كه خواص انتقال و نفوذ گرما در مقابل افزايش دما از اهميت كمتري برخوردار هستند در واقع, با افزايش دما واكنش جلويي به مرز نزديك تر مي شود و اين اثر مهمي در توليد يك حل پايدار شده هم گرا و زماني كه براي رسيدن به اين حل صرف مي شود دارد. به اين علت مناسب است كه حد بالايي دما را در نتايج قرار دهيم.

 

نتايج براي سوختهاي خالص:

براي اطمينان از درستي اعتبار محاسبات آنها اول با نتايج تجربي براي سوختهاي خالص در دماي اوليه مقايسه شده اند. درحالي كه مجموعه داده ها در منابع زياد است اين دو مركز انتخاب شده اند زيرا هر دو بيش از يك سوخت را پوشش مي دهند و بنابراين هماهنگي دروني با هم دارند.

تيلور [5] از يك دستگاه بمب كروي در يك آزمايشگاه تحقيقاتي گاز بريتانيا استفاده كرده است (اكنون در دانشگاه ليدز) در صورتي كه والگنوپوس و الگوپولوس در دانشگاه كاليفرنياي جنوبي در شعله هاي جت نفوذ كننده اندازه گيري كرده اند. [6]

همان طور كه در شكل 3-1 ديده مي شود دو دسته عموماً با هم توافق دارند. براي4 C2Hآنها به وسيله يك مطالعه قديمي تر توسط اگو فلوس و ديگران [7] تكميل شده اند..

براي جتهاي مخالف جريان , نتايج آنها براي های پايين تا اخيراً توسط هيراواسا و بقيه نقل قول شده است [8]. اين بررسي اخير تاييد مي كند كه داده هاي قديمي تر براي با داده هاي تيلور مطابقت دارند اما براي مخلوط هاي رقيق تر پايين تر از آنها هستند (شكل2).در شكل 1 براي CH4 داده هاي تجربي شارما و بقيه [9] در يك بمب استوانه نيز آورده شده است. آنها سرعت شعله را در شرايط استوكيومتريك كمي زير دو گروه ديگر اندازه گيري كرده اند.

همچنين نتايج محاسبات مواس و پترز [10] نشان داده شده است. كه از طرح هاي C1 و C2 براي محاسبه وابستگي به نسبت هم ارزي استفاده كرده اند.

محاسبات ما با طرح C1 تقريباً هم خواني دقيقي دارد اما با طرح Wang براي C1 و C2 و C3 (كه براي C2H4 و C3H8 توافق بسيار بهتري دارد) SL در شرايط استوكيومتريك در حدود %6 كمتر از محاسبات ماوس و پترز با مكانيزم C2 است. توافق در سه محاسبه در نسبت هاي هم ارزي رقيق تقريباً عالي است. اما همان طور كه در شكل1 نشان داده شده هرسه پيش بيني از مقدار اندازه گيري شده SL توسط تيلور در بيشتر است.

اين امر ممكن است به دليل اختلافات در آزمايش رقيق نزديك به خاموشي باشد. هيچ شعله پايدار لايه اي CH4 بدون پيش گرم, شعله پيلوت يا گردابه اي براي گزارش نشده است اما در محاسبات عددي خاموشي تا زير رخ نمي دهد.

نتايج براي C2H4 (شكل2) از پايين تا به خوبي پيش بيني شده است. هر چند داده هاي C3H8 (شكل3) قدري سوختن سريع تر را نسبت به پيش بيني هاي براي هاي پايين تا پيشنهاد مي دهد.

نتايج همچنين براي اين سوختها تا دماي اوليه k1100به دست آمده است. روي هم رفته انجام محاسبه حاضر در محدوده Ti=300k بايد بسيار رضايت بخش در نظر گرفته شود, اما تاييد رفتار نزديك به خاموشي ناقص است. هرچند هنگامي كه وابستگي دماي اوليه با يكي از مجموعه داده هاي محدود موجود شارما و ديگران [9] براي CH4 مقايسه مي شود اطمينان افزايش مي يابد.

افزايش پيش بيني شده سرعت شعله با دما تا دماي 1300k در شكل 4 نشان داده شده است ولو اينكه در محاسبات در دماهاي بالاترخطاهای قابل توجهي وجود داشته باشد كه اكنون مورد بحث است.

شارما و همكارانش داده ها براي Ti را تا دماي 600k به وسيله رابطه زير به هم مرتبط کردند.

 

اين شكل ساده گاهي اوقات براي توصيف محاسبات ما بعد از Ti = 1100k و نزديك به يك ناكافي و ناقص است بنابراين رابطه به گستره 300<Ti<1100k محدود مي شود, كه در آنها نتايج محاسبات را در محدوده %10 خطا ارائه مي كند.

اين شكل ارتباط با وجود دقت كم به خاطر سادگي اش در اينجا پذيرفته شده است.

برای معرفي يک پيش بيني با محدوده خطای %2 در گستره 300k<Ti<600k يک مجموعه ثابتهای ديگر براي همان معادله پديد مي آيد. مقايسه با داده هاي تجربي شارما و ديگران [9] براي نماي در شكل 5 آمده است. در اينجا پيش بيني ها وابستگي مشابهي را با نسبت هم ارزي نشان مي دهند استفاده از اين رابطه براي گستره دماي محدود ( مطابق با آزمايشات اما در شكل 5 نشان داده نشده است) فقط% 6 از مقادير تجربي براي <1<0.8 بزرگتر است. شكل 5 همچنين نشان مي دهد كه نماهاي دمای پيش بيني شده براي C2H4 و C3H8 در سطح مشابهي و هم وابستگي CH4 را به نسبت هم ارزی دارند.منحني های درجه 3 و 4 برای تقريب) n(1/و)c( به ترتيب مناسب هستند. نتايج براي گستره 300k<Ti<1100k در جدول 1 و براي گستره 300k<Ti<600k در جدول 2 آمده است.

 

نتايج براي سوختهاي رقيق شده:

محاسبات براي تعيين اثر رقيق كردن هر سه سوخت با CO2 وبرای متان با N2 انجام شده است.

براي مقايسه كردن نتايج با پيش بيني هاي رقيق شده , نتايج براي متان با Ti=300k در شكل6 نشان داده شده است. جاييكه آنها با نتايج تجربي كلارك و بقيه [11] مقايسه مي شوند. اين محققين آزمايشهاي سقوط آزاد را روي سوختن گاز طبيعي در يك بمب كروي را تا %60 رقيق كردن انجام داده اند. پيش بيني هاي كاهش سرعت شعله در محدوده%10 داده ها هم براي N2 و هم براي CO2 بود. همان طور كه انتظار مي رود اثر رقيق كردن با CO2 و N2 با يك پايه مولي يكسان نيست اگر رقيق كننده بي اثر باشد, پارامتري كه به اثر دماي شعله آدياباتيك وابسته است ممكن است همچنين به اثر سرعت شعله نيز وابسته باشد ولو اينكه بقيه خواص ترموديناميكي صرف نظر از ظرفيت گرمايي در تعيين آن نقشي داشته باشد. در تقريب اول اين مي تواند با يك پارامتر مثل اين نشان داده شود:

 

كه Yf و Yd كسر جرمي سوخت و رقيق كننده در مخلوط هستند. YST0 كسر جرمي استوكيومتريك در غياب رقيق كننده است و CPa و CPd ظرفيت حرارتي ويژه هوا و رقيق كننده هستند. اثر پيش بيني شده روي افزايش دماي بي بعد (جاييكه Tad0دماي آدياباتيك در غياب رقيق كننده است) توليد شده در ضمن محاسبات سرعت شعله با پارامتر رقيق كننده مقايسه شده است نتيجه گرفته شد كه براي داشتن يك تقريب خوب براي متان و پروپان بايد در رقيق ترين حالات Tad0 زير حدود 1700k باشد.

هرچند اين اثرات محاسبه شده براي شرايط استوكيومتريك است براي اتيلن در تمامي گستره هم ارزي صادق است. با مشاهدات بالا شايد شگفت انگيز نباشد كه پارامتر فقط تا اندازه اي در مرتبط كردن نتايج براي سرعت شعله موفق بوده است (شكل 7)

نسبت هم ارزي يك پارامتر با اهميت و مستقل باقي مي ماند همان طور كه طبيعت رقيق كننده است اما وابستگي سوخت تقريباً برطرف شده است. كاهش در سرعت شعله با رقيق كننده N2 كمتر از CO2 براي همان مقدار k است.

به وضوح CO2 مثل يك رقيق كننده خنثي در دماي آدياباتيك بالا (بالاي 2200k) در شرايط استوكيومتريك عمل نمي كند. براي يك نسبت هم ارزي معين , مشخص مي شود كه اثر سرعت شعله به شدت با كاهش دماي اوليه تقليل مي يابد ولو اينكه اين اثر در نسبت دماي آدياباتيك نسبتاً ثابت مي ماند.

 

نتيجه گيري:

ارتباط ساده پيشرفت داده شده براي توصيف نتايج محاسبات با %10 اختلاف در محدوده گستره دماي اوليه 300k تا 1100k يا با % 2 خطا با گستره دماي 300k تا 600k را نشان ميدهد. مقايسه با نتايج اعتبار كلي محاسبات را تاييد مي كند. اما دقتشان را نمي توان به صورت دقيق سنجيد.

/ 0 نظر / 7 بازدید