%37تخفیف

شبیه سازی عددی محفظه احتراق توربین گاز زمینی با هدف کاهش آلاینده NOx به روش CLN

تعداد70 صفحه  درword

گروه تبدیل انرژی

 

کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک

گرایش تبدیل انرژی

شبیه سازی عددی محفظه احتراق توربین گاز زمینی با هدف کاهش آلاینده NOx به روش CLN

چکیده

هدف از کار حاضر شبیه­سازی محفظه احتراق توربین گاز با هدف کاهش NOx می­باشد. در روش CLN بخار به صورت پیش­آمیخته با سوخت به محفظه احتراق تزریق می­شود. به منظور شبیه سازی از دو روش شبکه راکتوری معادل و شبیه­سازی CFD استفاده شده است. در روش اول فرآیند احتراق درون یک محفظه آزمایشگاهی به کمک شبکه راکتوری معادل مد­ل­سازی شده است. در این مدل‌سازی تأثیر انتقال حرارت از محفظه بر پیش­بینی فرآیند احتراق منظور شده است. بررسی تأثیر فشار و زمان اقامت بر انتشار اکسید نیتروژن نشان داد افزایش فشار و زمان اقامت به خصوص در دمای بالای شعله سبب افزایش تولید اکسید نیتروژن می‌شود. به طوری که مشاهده می­شود که میزان انتشار اکسید نیتروژن با توان متغیری از فشار در ارتباط است که این توان، خود تابعی از دماست. همچنین با تزریق بخار به درون محفظه احتراق مدل شده به کمک شبکه­ راکتوری معادل، می­توان کاهش آلاینده اکسید نیتروژن را در مقایسه با حالت بدون تزریق مشاهده کرد. در روش دوم، شبیه سازی CFD برای یک محفظه احتراق غیرپیش­آمیخته به صورت متقارن محوری انجام شده است. در این شبیه­سازی، در ابتدا تأثیر مدل­های احتراق مختلف بر پیش‌بینی دما و میزان تولید NOx بررسی گردید. بر این اساس مدل EDC با توجه به این که قابلیت اعمال سینتیک­های مختلف را دارد، برای پیش‌بینی NOx مدل مناسب­تری است. همچنین تأثیر تزریق بخار به داخل محفظه به صورت پیش‌آمیخته با سوخت بررسی و نتایج آن با حالت بدون تزریق بخار به داخل محفظه و حالت تزریق بخار به صورت پیش­آمیخته با هوا مقایسه شد. نتایج نشان می­دهد که تزریق بخار پیش‌آمیخته با سوخت، سبب کاهش بیشتر NOx نسبت به حالت تزریق بخار پیش‌آمیخته با هوا شده، و با جلوگیری از افزایش میزان تولید CO سبب بهبود کارایی احتراق می­شود.

کلمات کلیدی: محفظه احتراق توربین گاز، شبیه­سازی عددی، شبکه راکتوری معادل، کاهش NOx، تزریق بخار

فهرست مطالب

فصل 1: مقدمه 1

1-1- پیشگفتار 1

1-2- معرفی محفظه احتراق توربین گاز و قسمت های مختلف آن 1

1-3- مروری بر تحقیقات انجام شده 3

1-4- اهداف و ساختار تحقیق حاضر 11

فصل 2: معادلات حاکم و روش عددی 13

2-1- مقدمه 13

2-2- مدلسازی محفظه احتراق به کمک شبکه راکتوری معادل 13

2-2-1- مدلهای راکتوری پایه 14

2-2-1-1 راکتور اختلاط ایده آل 14

2-2-1-2 راکتور پیستونی 16

2-3- شبیه سازی CFD محفظه احتراق 18

2-3-1- معادلات حاکم 18

2-3-1-1 مدل اغتشاشی 22

2-3-1-2 مدل احتراقی 23

2-3-1-3- مدل تشعشع 30

2-3-1-4 شرایط مرزی 33

2-3-1-5 روش حل عددی 33

2-4- جمع‏بندی 34

فصل 3: نتایج و بحث 35

3-1- مقدمه 35

3-2- تحلیل محفظه احتراق با استفاده از مدل شبکه راکتوری معادل 35

3-2-2- مدل شبکه راکتوری مناسب محفظه 37

3-2-3- بررسی اثر مدل انتقال حرارت بر پیشبینی دقیق آلایندهها 39

3-2-4- بررسی تأثیر فشار، زمان اقامت 41

3-2-5- بررسی اثر تزریق بخار به داخل محفظه 43

3-3- تحلیل محفظه احتراق با استفاده از CFD 45

3-3-2- شبیه‏سازی عددی 46

3-3-3- بررسی مدلهای احتراقی 51

3-3-4- تزریق بخار 54

3-4- جمع‏بندی 62

فصل 4: جمع‏بندی و پیشنهادات 64

4-1- جمع‏بندی نهایی 64

4-2- پیشنهادات جهت تکمیل و ادامه کار 66

مراجع……………………………………………………………………………………………………………..   68

 

فهرست علائم و نشانه­ها

مساحت، m2

ضریب دما در معادله آرنیوس

ضریب جذب سیال

ضریب جذب ذرات

ثابت مدل اتلاف گردابه

ظرفیت گرمای ویژه، J/kg K

ثابت مقیاس زمانی

ثابت کسر حجمی

قطر محفظه احتراق، m

ضریب نفوذ گونه kام، m2/s

قطر جت، m

انرژی فعال­سازی واکنش، J

کسر مخلوط

ضریب انتقال حرارت داخلی، W/m2K

ضریب انتقال حرارت خارجی، W/m2K

ضریب انتقال حرارت تشعشعی، W/m2K

شدت تشعشع،

انرژی جنبشی توربولانسی،

طول محفظه احتراق، m

جرم مولکولی، kg/mol

جرم درون حجم کنترل، kg

دبی جرمی جت، kg/s

دبی جرمی ورودی گونه iام، kg/s

دبی جرمی خروجی گونه iام، kg/s

فشار، Pa

عدد پرانتل توربولانسی

نرخ انتقال حرارت، W

ثابت جهانی گازها

بردار مکانی، m

نسبت بخار به سوخت

سرعت سوزش آرام، m/s

عدد اشمیت توربولانسی

دما، K

دمای داخل راکتور، K

سرعت، m/s

ضخامت محفظه احتراق، m

زمان اقامت گاز، s

حجم محفظه احتراق، m3

مختصه طولی، m

کسر جرمی

علائم یونانی

توان دما در معادله آرنیوس

چگالی، kg/m3

چگالی جت، kg/m3

چگالی سیال اطراف جت، kg/m3

چگالی گازهای نسوخته، kg/m3

متوسط زمانی چگالی، kg/m3

ضریب پخش ذرات

لزجت توربولانسی، Pa.s

نرخ اتلاف اغتشاشی،

مقیاس زمانی آشفتگی، s

مقیاس زمانی واکنش گونه­ها، s

لزجت سینماتیکی، m2/s

نرخ تولید گونه kام،

نرخ حرارت آزاد شده ناشی از احتراق،

نرخ کسر جرمی متوسط محصولات واکنش،

نرخ کسر جرمی متوسط سوخت،

نرخ کسر جرمی متوسط اکسیدکننده،

زاویه فضایی،

کسر حجمی گردابه­های ریزمقیاس

 

زیرنویس­ها

حجم کنترل

سوخت

گونه iام

ورودی

مخلوط

خروجی

محصولات واکنش

اختلاط ایده­آل

اختلاط پیستونی

تشعشعی

اقامت

توربولانسی

مجموع

 

فهرست اشکال

شکل (1-1) محفظه احتراق توربین گاز و قسمت­های مختلف آن 2

شکل (2-1) راکتور اختلاط ایده آل .‎‎ 14

شکل (2-2) راکتور پیستونی .‎‎ 15

شکل (2-3) حجم کنترل شارهای جرمی، مومنتوم، انرژی و گونه ها برای راکتور پیستونی .‎‎ 16

شکل (2-4) توصیف گرافیکی تابع احتمال جرم‌مخصوص ‎ 26

شکل (3-1) محفظه احتراق آزمایشگاهی مورد مطالعه ‎ 36

شکل (3-2) شبکه راکتوری برای مدلسازی محفظه احتراق 35

شکل (3-3) مدل انتقال حرارت از محفظه احتراق 37

شکل (3-4) تغییرات اکسید نیتروژن با دما بدون در نظر گرفتن اتلاف حرارت 40

شکل (3-5) تغییرات تولید اکسید نیتروژن با دما 41

شکل (3-6) تغییرات تولید اکسید نیتروژن با دما در فشارهای متفاوت 40

شکل (3-7) تغییرات تولید اکسید نیتروژن در زمان اقامت­های مختلف 41

شکل (3-8) تأثیر تزریق بخار بر تولید آلاینده اکسید نیتروژن 42

شکل (3-9) تأثیر نسبت بخار به سوخت در میزان تولید اکسید نیتروژن 42

شکل (3-10) طرحواره محفظه احتراق مورد مطالعه 45

شکل (3-11) نمودار دما در محور محفظه به منظور بررسی عدم وابستگی حل به تعداد سلول محاسباتی 45

شکل (3-12) مقایسه دما در محور محفظه احتراق با نتایج تجربی و حل عددی 46

شکل (3-13) کسرجرمی متان (بالا) و اکسیژن (پایین) در محور محفظه احتراق 47

شکل (3-14) کسرجرمی متان (بالا) و اکسیژن (پایین) در محور محفظه احتراق 48

شکل (3-15) مقایسه کسر مولی NO پیش بینی شده به روش عددی با داده های تجربی 49

شکل (3-16) نمودار دما در محور مرکزی محفظه برای مدل‏های احتراقی مختلف 51

شکل (3-17) نمودار کسر مولی NO در محور مرکزی محفظه برای مدل‏های احتراقی مختلف 51

شکل (3-18) محدود شدن منطقه احتراقی در اثر پیش آمیختن بخار با سوخت 55

شکل (3-19) مقایسه تغییرات تولید NOx و CO در اثر تزریق آب از طریق هوا، تزریق آب از طریق سوخت و تزریق آب به صورت جداگانه در کار تجربی گریوز و همکاران 56

شکل (3-20) کانتور کسر مخلوط در محفظه احتراق برای سه حالت بدون تزریق بخار، تزریق بخار پیش‌آمیخته با هوا و تزریق بخار پیش آمیخته با سوخت 58

شکل (3-21) کانتور دما در محفظه احتراق برای سه حالت بدون تزریق بخار، تزریق بخار پیش‌آمیخته با هوا و تزریق بخار پیش آمیخته با سوخت 57

شکل (3-22) کانتور کسر مولی NO در محفظه احتراق برای سه حالت بدون تزریق بخار، تزریق بخار پیش‌آمیخته با هوا و تزریق بخار پیش آمیخته با سوخت 58

شکل (3-23) کانتور کسر مولی CO در محفظه احتراق برای سه حالت بدون تزریق بخار، تزریق بخار پیش‌آمیخته با هوا و تزریق بخار پیش آمیخته با سوخت 59

شکل (3-24) کسر جرمی بخار آب روی شعاع محفظه در فاصله 312/0 متری از ابتدا برای سه حالت بدون تزریق بخار، تزریق بخار پیش‌آمیخته با هوا و تزریق بخار پیش آمیخته با سوخت 62

 

فهرست جداول

جدول (2-1) ثابت­های معادلات انرژی جنبشی اغتشاشی و نرخ اتلاف اغتشاشی 22

جدول (3-1) پارامترهای اولیه برای محاسبات مدل سینتیکی آلاینده­ها 35

جدول (3-2) شرایط عملکرد محفظه احتراق 50

جدول (3-3) ثوابت آرنیوسی سینتیک دومرحله­ای متان 53

جدول (3-4) دما، کسر مولی اکسیدنیتروژن و کسرمولی کربن مونوکسید در گازهای خروجی 59

نقد و بررسی‌ها

هنوز بررسی‌ای ثبت نشده است.

اولین کسی باشید که دیدگاهی می نویسد “شبیه سازی عددی محفظه احتراق توربین گاز زمینی با هدف کاهش آلاینده NOx به روش CLN”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

قبلا حساب کاربری ایجاد کرده اید؟
گذرواژه خود را فراموش کرده اید؟
Loading...
enemad-logo