توضیحات
پروژه شبیه سازی محفظه احتراق گازسوز متان-هوا در نرم افزار انسیس سی اف ایکس(ANSYS CFX)
احتراق(combustion):
به اکسیداسیون سریع همراه با ایجاد نور و حرارت احتراق گفته می شود، که برای به وقوع پیوستن به سه عامل ضروری سوخت، اکسید کننده و حرارت کافی نیاز می باشد. احتراق، واکنش شیمیائی است که در اثر ترکیب اکسید کننده و اکسید شونده به وجود می آید که در اثر آن حرارت تولید می شود. اگر مقدار حرارت در واحد زمان قابل ملاحظه باشد و همراه آن نور تولید شود حریق یا آتش سوزی صورت می گیرد. به اکسیداسیون سریع همراه با ایجاد نور و حرارت احتراق گفته می شود که برای وقوع پیوستن نیاز به سه عامل ضروری سوخت، اکسید کننده و حرارت کافی می باشد. در موتورهای توربینی، هوا در داخل محفظه ی احتراق با سوخت مخلوط می شود. در صورت اینکه سوخت مایع باشد به صورت پودر در داخل محفظه ی احتراق پاشیده و به خوبی با هوا مخلوط می شود. تفاوت اساسی آن با سایر موتورها این است که در آن احتراق مداوم و پایدار است به این معنی که احتراق متوقف نمی گردد ، اما به طور کاربردی هیچ ماده ای برای استفاده در جنس محفظه ی احتراق و توربین وجود ندارد که بطور مداوم حرارت بالای ۱۵۰۰ را بدون تغییر حالت (فیزیکی و شیمیایی( تحمل کند. این مشکل به طریقی با شکافتن هوای کمپرسور به دو شاخه حل شده است. شاخه اول برای سوزاندن سوخت در نسبت استوکیومتری و شاخه یا انشعاب دوم با حرارت حاصل از شاخه ی اول مخلوط می شود.(حرارت ایجاد شده شامل حرارت محفظه احتراق، توربین ها، نازل ها یا به اصطلاح استاتورها ، نازل خروجی و کلیه قسمت هایی که حرارت دارند می شوند). نتیجه اینکه احتراق سوخت، کامل می شود و کل جرم هوای کمپرس شده ی گرم بطور مزدوج و یکنواخت به دمای عملیاتی توربین ها اختصاص داده می شود.
محفظه احتراق(combustion chamber):
در محفظه احتراق، هوا از ورودی وارد کمپرسور می شود و پس از فشرده شدن وارد محفظه ی احتراق می شود. هوای وارد شده در محفظه ی احتراق با سوخت مخلوط شده و احتراق رخ می دهد که درنتیجه آن دمای محفظه احتراق افزایش پیدا کرده و گاز منبسط شده وارد توربین می شود. در موتورهای توربینی هوا در داخل محفظه احتراق با سوخت مخلوط می شود. در صورت اینکه سوخت مایع باشد به صورت پودر در داخل محفظه احتراق پاشیده و به خوبی با هوا مخلوط می شود. تفاوت اساسی آن با سایر موتورها این است که در آن احتراق مداوم و پایدار است به این معنی که احتراق متوقف نمی گردد اما به طور کاربردی هیچ ماده ای برای استفاده در جنس محفظه ی احتراق و توربین وجود ندارد که بطور مداوم حرارت بالای ۱۵۰۰ را بدون تغییر حالت (فیزیکی و شیمیایی) تحمل کند.
سیستم احتراق:
سیستم احتراق شامل سوخت پاش، جرقه زن، محفظه و لوله احتراق می باشد. فرآیند احتراق در درون لوله های احتراق صورت می گیرد که این عمل با وارد شدن هوا به محفظه و مخلوط شدن آن با سوخت سپس احتراق آن به وسیله شمع جرقه زن انجام می شود. محفظه احتراق از یک یا چند محفظه، چند شمع، چند سوخت پاش تشکیل شده است. هوای فشرده پس از خروج از کمپرسور و عبور از دیفیوزر، وارد محفظه احتراق می شود. سوخت مناسب توسط سوخت پاش ها به داخل هوای متراکم پاشیده می شود. هوا در اثر تراکم حرارتش بالا رفته و به محض اضافه شدن سوخت، مخلوط مناسب جهت احتراق آماده می شود. جرقه لازم در هنگام شروع توسط شمع ها تولید شده و مخلوط محترق می شود.
البته برای ایمنی بیشتر قبل از پاشیده شدن سوخت سیستم جرقه روشن شده و شمع ها شروع به جرقه زدن می کنند تا به محض پاشیدن سوخت احتراق فورا انجام شده و از انفجار جلوگیری به عمل آید. بدین ترتیب انرژی موجود در مخلوط هوا و سوخت در اثر احتراق تبدیل به انرژی حرارتی شده و انرژی جنبشی هوای عبوری از موتور را افزایش میدهد. محفظه احتراق که شبیه تنور است پس از یک بار جرقه زدن شمع ها تا پایان کار موتور روشن می ماند و دیگر نیازی به جرقه شمع ها نیست. سیستم محفظه های احتراق محاسن و معایب مخصوص به خود را دارند.
در شکل زیر نمونه یک محفظه ی احتراق در توربین گاز مشاهده می شود. هوا از طریق ورودی وارد کمپرسور شده، و پس از فشرده سازی وارد محفظه احتراق می شود. هوای وارد شده با سوخت مخلوط شده و احتراق رخ می دهد که درنتیجه آن دمای محفظه افزایش یافته و گاز منبسط شده، و وارد توربین میشود.
شکل محفظه احتراق.
انواع محفظه احتراق:
سه نوع محفظه احتراق برای موتورهای توربین دار گازی به کارگرفته شده است. این سه نوع عبارتند از:
الف – محفظه احتراق استوانه ای
ب – محفظه احتراق حلقوی
ج – محفظه احتراق لوله ای حلقوی.
سیستم احتراق شامل سوخت پاش، جرقه زن، محفظه و لوله احتراق می باشد. فرآیند احتراق در درون لوله های احتراق صورت می پذیرد که این عمل با وارد شدن هوا به محفظه و مخلوط شدن آن با سوخت، سپس احتراق آن به وسیله شمع جرقه زن انجام می شود. محفظه های احتراق در موتورهای توربینی انواع گوناگونی دارند که هر کدام محاسن و معایب خود را دارند.
محفظه احتراق استوانه ای:
به شکل لوله است که به صورت چندتایی در اطراف موتور قرار گرفته است. هوای کمپرسور از طریق دیفیوزر به داخل تک تک این محفظه ها هدایت می شود. هر محفظه ی احتراق شامل یک لوله ی داخلی است که در آن شعله تشکیل می شود . اطراف این لوله پوسته یا لوله ی خارجی قرار کاهش تولید آلاینده در احتراق غیر پیش مخلوط متان هوا دارد که قسمتی از هوا که برای سوختن لازم است از دهانه ی ورودی وارد لوله داخلی می شود و بقیه ی هوا از فاصله ی بین دو لایه عبور می کند و از سوراخ های موجود روی لوله داخلی وارد می شود. لوله های داخلی از داخل باهم ارتباط هستند، این ارتباط امکان تقریبی یکسان بودن فشار را در داخل همه ی لوله های داخلی فراهم می آورد، در ضمن در موقع استارت، شعله از طریق همین لوله های رابط از یک لوله به لوله ی دیگر انتشار پیدا می کند. با وجود ارتباط بین لوله های داخلی فشار در تمام لوله ها یکسان نیست. به همین دلیل عیب این محفظه های احتراق عدم یکسانی فشار در آن هاست. عیب دیگر این محفظه های احتراق این است که حجم زیادی را اشغال می کنند، اما حسن این محفظه ها سادگی تعمیر و نگهداری و مقرون به صرفه بودن آنها است.
محفظه احتراق حلقوی:
در محفظه احتراق لوله ای که شعله در آن تشکیل می شود به صورت حلقوی و سرتاسری است که اطراف موتور قرار گرفته است. یک طرف باز آن در مقابل دیفیوزر و طرف دیگر آن در مقابل تیغه های هدایت کننده گاز قرار دارد. پوسته ی خارجی، قسمت داخلی و بیرونی این لوله حلقوی را می پوشاند و هوای خنک (که بین ۶۰ تا ۷۵ درصد هوای کمپرسور است) از بین لوله ی حلقوی و سرتاسری و پوسته ی خارجی عبور مکند و از سوراخ های موجود روی لوله حلقوی وارد آن می شود. طرح و ساخت این نوع محفظه احتراق مشکل است اما راندمان آن ها به دلیل یکسان بودن فشار گاز در همه ی نقاط و اشغال فضای کمتر زیادتر است. در ضمن تعمیر و نگهداری این نوع محفظه ی احتراق مشکل است.
محفظه احتراق لوله ای حلقوی:
این محفظه احتراق ترکیبی از دو محفظه قبل است که از مزایای هر دوی آن ها برخوردار است. لوله ی تشکیل دهنده شعله یکپارچه نیست و همانند محفظه احتراق استوانه ای به صورت لوله های مجزایی است که به هم ارتباط داده شده اند به این صورت که در ۶۰ تا ۷۵ درصد هوای کمپرسور مشترک هستند. از ویژگی های این نوع محفظه های احتراق سادگی در تعمیر و دقت است و راندمان آن نیز تا حدودی مثل محفظه های احتراق حلقوی است.
امروزه نحوه تامین انرژی به یکی از دغدغه های اصلی کشورهای جهان تبدیل شده است. عمده ترین منبع تامین انرژی سوخت های فسیلی می باشند که به سه نوع اصلی تقسیم می شوند: ذغال سنگ، نفت، گاز طبیعی. این سوخت ها که طی میلیون ها سال شکل گرفته اند به سرعت در حال مصرف می باشند. از طرفی جامعه بشری به شدت به سوخت های فسیلی وابسته است، به نحوی که انقلاب صنعتی اروپا در قرن ۱۸ با سوخت زغال سنگ شکل گرفت و در قرن ۱۹ با سوخت نفت ادامه یافت و در قرن ۲۰ تمایل به مصرف گاز طبیعی به آن ها اضافه شد. در حال حاضر ۲۰ درصد مصرف جهانی انرژی را گاز طبیعی تشکیل می دهد که با آهنگ 2.4 درصد در حال رشد است. طبق پیش بینی ها افزایش مصرف انرژی تا سال ۲۰۴۰ ادامه خواهد یافت و این افزایش تقاضا برای نفت و ذغال سنگ در کشورهای در حال توسعه آسیایی بیشتر خواهد بود.
اما مصرف سوخت های فسیلی و آلاینده های ناشی از آن طبعات و خسارت های بسیاری بر محیط زیست کره زمین در پی داشته است. یکی از آثار و نتایج آلودگی هوا، باران های اسیدی است. باران های اسیدی از گازهای دی اکسید سولفور و از خانواده اکسید نیتروژن که از دود اگزوز اتومیبل ها و کارخانجات ایجاد می شود، به وجود می آید. این گازها در اتمسفر زمین با بخار آب واکنش داده و اسیدهایی مانند اسید سولفوریک و اسید نیتریک را تشکیل می دهند که تخریب پوشش جنگلی و ایجاد مه دود در شهرها به خصوص در فصول سرد سال از پیامدهای آن می باشد. سالیانه ۳ میلیون نفر در اثر آلودگی هوا جان خود را از دست می دهند که ۹۰ درصد آنان در کشورهای توسعه یافته هستند.
در بعضی کشورها تعداد افرادی که در اثر همین عامل جان خود را از دست می دهند بیشتر از قربانیان سوانح رانندگی است. این مرگ و میر بطور خاص مربوط به آسم، برونشیت، تنگی نفس و حملات قلبی و آلرژی های مختلف تنفسی است. گرم شدن کره زمین به علت افزایش گازهای گلخانه ای از نتایج دیگر مصرف سوخت های فسیلی می باشد. این موضوع که دمای زمین در هر سی سال تقریبا یک درجه سانتیگراد افزایش می یابد، مورد پذیرش قرار گرفته است فرآیندی است که بعنوان گرم شدن جهانی شناخته می شود. برخی از دانشمندان، افزایش توفان ها و گردبادهای سهمگین را یکی از نتایج گرم شدن کره زمین می دانند. اغلب کارشناسان اقلیمی معتقدند که این روند می تواند به وقوع خشکسالی ها، سیل ها، بادهای گرم و توفان های مهیب تر منجر شود.
مهمترین آلاینده های ناشی از مصرف سوخت های فسیلی به شرح زیر است :
کربن منو اکسید:
کربن منو اکسید CO گازی سمی است که بواسطه فقدان اکسیژن کافی در محفظه های احتراق تشکیل می شود. کربن منو اکسید یکی از خطرناکترین آلاینده ها برای سلامتی انسان است زیرا این گاز باعث کاهش ظرفیت حمل اکسیژن خون می شود و در نتیجه آن باعث سردرد، خستگی و مشکلات تنفسی شده و در بعضی موارد حتی منجر به مرگ خواهد شد.
کربن دی اکسید:
به واسطه فرآیندهای احتراقی شامل سوزاندن نفت، ذغال سنگ و گاز، میزان دی اکسید کربن در جو در حال افزایش است. این گاز یکی از فراون ترین گازهای گلخانه ای است که در مجموع ۷۲ درصد از کل آن گازها را شامل می شود. دی اکسید کربن به عنوان یک آلاینده که به سلامت انسان ها لطمه بزند، مطرح نمی باشد. بلکه تنها دلیل، سهیم بودن دی اکسید کربن در فرآیند گرم شدن جهانی است.
اکسیدهای گوگرد :
ذغال سنگ و سوخت های نفتی دارای مقداری گوگرد هستند و سوختن آنها دی اکسید گوگرد تولید می کند.
اکسیدهای نیتروژن :
از میان هفت اکسید نیتروژن شناخته شده موجود در هوای محیط، نیتروز اکساید (NO) و نیتروز دی اکساید (NO2) از آلوده کننده های مهم هوا به شمار می روند. نیتروز دی اکساید گازی است مرئی با رنگ قهوه ای مایل به زرد یا قهوه ای مایل به قرمز که طی فرایندهای پیچیده اتمسفر به ذرات معلق نیترات (NO3) تبدیل می شود. به علاوه نیتروز دی اکساید نیز همچون نیتروز اکساید یکی از آلاینده های اصلی مه دود است. این گاز در شهرها به علت فعالیتهای انسانی از غلظت بالایی برخوردار است. احتراق سوختها در دمای بالا سبب تولید این آلاینده می شود. این دو گاز اثر مستقیم بر آلودگی هوا ندارند بلکه در صورتیکه با هوای مرطوب ترکیب شوند، تولید اسید نیتریک می نمایند که در این حالت موجب پوسیدگی شدید فلزات می شوند. اگر گیاهان به مدت ۱۰ الى ۱۲ روز در معرض هوای محتوى NO2 با غلظت ppm 0.5 قرار بگیرند رشد آنها بسیار کاهش می یابد.
ترکیبات آلی فرار :
این ترکیبات به دو دسته متان و غیر متان ها تقسیم می شوند. متان گاز اصلی تشکیل دهنده گاز طبیعی است و اثر گلخانه ای بسیار نیرومندی دارد. بقیه ترکیبات آلی فرار هم اثرات گلخانه ای قابل توجهی دارند. ترکیبات فرار آروماتیک مثل بنزن و تولوئن اثر سرطان زایی داشته و اگر به طور مستمر در معرض آنها قرار گرفته شود می تواند منجر به سرطان خون شود.
بنابراین تقاضای جهانی انرژی طی دویست سال اخیر به دلیل نگرانی های زیست محیطی به سمت سوختهایی با محتوای کربن کمتر متمایل شده است. طی این مدت انرژی مورد نیاز انسان از چوب (با محتوای کربن 1.25 نسبت به هیدروژن موجود در آن) به ذغال سنگ سپس به نفت و در حال حاضر به گاز طبیعی (گاز متان با میزان کربن ۶۵ درصد) تغییر نموده و در این راستا سهم گاز طبیعی به عنوان سوخت در حال افزایش است.
گاز طبیعی عمدتا از متان (CH4) یعنی ساده ترین نوع هیدروکربن و هیدروکربن های پیچیده تر و سنگین تری چون اتان (C2H6)، پروپان (C3H8) و بوتان (C4H10) تشکیل شده است. گاز طبیعی در هر واحد انرژی حدود ۲۴ درصد نسبت به نفت خام و ۴۲ درصد نسبت به ذغال سنگ گازهای آلاینده کمتری تولید می کند و این بیانگر آن است که می توان انرژی بیشتری مصرف و در مقایسه با نفت خام و ذغال سنگ، آلاینده های کمتری تولید کرد. گاز طبیعی بعد از هیدروژن پاک ترین نوع سوخت فسیلی برای طبیعت است. زیرا عمدتا دی اکسیدکربن و بخار آب تولید می کند.
مصرف گاز طبیعی در دهه ۱۹۹۰ در اروپا به شدت افزایش یافته، به طوری که در آلمان ۳۰ درصد، در ایتالیا ۵۰ درصد و در انگلیس ۱۰۰ درصد رشد داشته است و در مقابل تولید گاز آلاینده CO2، به همین نسبت کاهش یافته است. هر چند انتشار CO2 و ذرات معلق در مقایسه با ذغال سنگ و نفت قابل چشم پوشی است، اما مقادیر قابل توجهی از NOx انتشار می یابد که نیازمند بررسی و مطالعات بیشتر آثار و تبعات آن در محیط زیست می باشد.
احتراق قدیمی ترین فناوری بشر است که بیش از یک میلیون سال است استفاده می شود. در حال حاضر حدود ۹۰ درصد پشتیبانی انرژی سراسر جهان به وسیله احتراق انجام می شود. در واقع احتراق از یک سری واکنش های شیمیایی تشکیل می شود که به بیان ساده سوخت با اکسیژن واکنش داده و در طی آن انرژی آزاد می شود. در گذشته پژوهش احتراق در مکانیک سیالات که شامل آزاد شدن حرارت کلی به وسیله واکنش شیمیایی بود، هدایت می شد. این آزاد شدن حرارت، اغلب به سادگی به کمک ترمودینامیک، که فرض می کند واکنش شیمیایی بی نهایت سریع است، بیان می شود. این روش تا حدی برای طراحی فرآیندهای ساکن مفید است، اما برای رفتار با فرآیندهای گذرا مانند افروزش و فرونشانی یا در صورتی که تشکیل آلاینده ها مورد بررسی قرار گیرد، کافی نمی باشد. بنابراین نیاز است تا واکنش های شیمیایی و جریان سیال به طور همزمان مورد بررسی قرار گیرد.
دسته بندی احتراق:
در فرآیندهای احتراق سوخت و اکسید کننده مخلوط شده و می سوزند. احتراق را بر اساس اینکه آیا سوخت و اکسید کننده ابتدا مخلوط شده و سپس می سوزند (پیش آمیخته) یا اینکه احتراق و مخلوط شدن همزمان اتفاق می افتد (غیر پیش آمیخته) می توان تقسیم بندی کرد.
شکل تقسیم بندی سیستم های احتراقی.
شعله و انواع آن(flame):
شعله به بخش مرئی یا نورانی آتش که حاصل سوختن گاز است اطلاق می شود. شعله کوچکترین شکل آتش است و از به هم پیوستن چند شعله، آتش تشکیل می شود و از سرکشیدن و ازدیاد پرسرعت آتش حریق یا فرآیند احتراق حاصل می شود. این فرآیند را اگر به صورت کنترل شده مورد استفاده قرار گیرد، نیاز به ابزارهایی دارد که متعارف ترین شکل صنعتی آن، کوره ها و دیگ ها یا بویلرها می باشند.
در فرآیند احتراق، سوخت و اکسید کننده(oxidizer) (مثلا هوا) مخلوط شده و می سوزد. احتراق را براساس این که آیا سوخت و اکسید کننده ابتدا مخلوط شده و سپس می سوزد (پیش آمیخته) یا این که احتراق و مخلوط شدن همزمان رخ می دهد (غیر پیش آمیخته) طبقه بندی می شود. سپس هر یک از این طبقات بر اساس این که آیا جرم سیال آرام یا مغشوش است دوباره تقسیم به جزء می شوند. تشکیل شعله و پایداری آن در فرآیند احتراق به سه عامل ثابت سوخت، اکسیژن (هوای احتراق) و جرقه (گرمای اولیه یا گرمای شعله پایدار) نیاز دارد.
شعله پیش آمیخته(premixed flame):
در شعله های آرام پیش آمیخته سوخت و اکسید کننده پیش از احتراق پیش مخلوط می شوند و جریان آرام است. مثال دیگر شعله های پیش آمیخته، موتور اشتعال جرقه ای (موتور آتو) با کاربری وسیع است که در آن، جریان به ندرت آرام است. در این حالت، جبهه های شعله پیش آمیخته می سوزند و به داخل جریان سیال نسوخته انتشار پیدا می کنند. اگر شدت اغتشاش خیلی زیاد نباشد، جبهه های شعله پیش آمیخته آرام و منحنی شکل تشکیل می شوند. در این صورت می توان دید که شعله مغشوش از تجمع تعداد زیادی شعله های پیش آمیخته آرام تشکیل می شود. این وضعیت مشهور به مفهوم شعله های آرام کوچک(flamelet) می باشد.
شعله غیر پیش آمیخته(non-premixed flame):
در شعله های غیر پیش آمیخته آرام، سوخت و اکسید کننده در فرآیند احتراق، مخلوط می شوند و جریان آرام است. مثالها شامل شمع ها، چراغ های نفتی می باشد. برای مقاصد پژوهشی شعله غیر پیش آمیخته به دو شکل مورد استفاده قرار می گیرد: شعله های غیر پیش آمیخته جریان های آرام متقابل و جریان های آرام هم جهت شیمی شعله های غیر پیش آمیخته پیچیده تر از شعله های پیش آمیخته است، زیرا نسبت هم ارزی تمام گستره از صفر (هوا) تا بینهایت (سوخت خالص) را می پوشاند. احتراق پرسوخت در طرف سوخت و احتراق کم سوخت در طرف هوا رخ می دهد. جبهه شعله، که معمولا بوسیله درخشندگی شدید مشخص می شود، در مناطقی نزدیک به محل ترکیب استوکیومتری ثابت می شود؛ زیرا این جایی است که دما بالاترین است. بنابراین برخلاف شعله های پیش آمیخته، شعله های غیرپیش آمیخته منتشر نمی شوند و در نتیجه نمی توانند بوسیله یک سرعت شعله آرام مشخص شوند.
در شعله غیر پیش آمیخته مغشوش، شعله های غیر پیش آمیخته در میدان جریان مغشوش میسوزند و برای شدت های کم اغتشاش مفهوم مشهور به شعله های آرام کوچک می تواند دوباره استفاده شود. شعله های غیر پیش آمیخته در کوره ها و مشعل های صنعتی بیشتر استفاده می شود مگر اینکه از فناوری های پیشرفته استفاده شود. شعله های غیر پیش آمیخته روشنایی زرد رنگی دارند که بوسیله سوختن ذرات دوده که در واکنشهای شیمیایی پر سوخت در شعله های غیر پیش آمیخته با سوخت زیاد تشکیل میشود حاصل می گردد. همچنین برای شعله غیر پیش آمیخته میتوان مثال هایی همچون توربین هواپیما، موتور دیزل و موتور راکت نام برد.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی محفظه احتراق گازسوز متان-هوا در نرم افزار انسیس سی اف ایکس(ANSYS CFX) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار سالیدورک ترسیم شده است.
شبکه و مش:
شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ ANSYS Meshing تولید شده است.
شبیه سازی و حل:
شبیه سازی در نرم افزار انسیس سی اف ایکس(ANSYS CFX) انجام شده است.
سیال:
سیال مخلوط هوا و متان می باشد.
نمونه نتایج شبیه سازی :
