فهرست مطالب

سوخت و احتراق - سال هشتم شماره 1 (پیاپی 15، بهار و تابستان 1394)

نشریه سوخت و احتراق
سال هشتم شماره 1 (پیاپی 15، بهار و تابستان 1394)

  • تاریخ انتشار: 1394/06/23
  • تعداد عناوین: 7
|
  • مصطفی رمضان نژاد، روزبه شفقت*، مصطفی محبی، امید جهانیان صفحه 1
    موتورهای اشتعال تراکمی همگن، با قابلیت تولید اندک آلاینده های NOx و دوده و انعطاف پذیری بالا در استفاده از سوخت های گوناگون، جایگزین بسیار مناسبی برای موتورهای دیزلی مرسوم اند. چالش اصلی در این موتورها کنترل زمان بندی احتراق خود به خودی است. از طرفی، گاز طبیعی، به عنوان سوختی پاک، همواره مورد توجه محققان بوده است و آزمایش های بسیاری هم در کارهای عددی و هم در کارهای آزمایشگاهی بر روی آن انجام شده است. این سوخت، به دلیل عدد اکتان بالای آن و میل کمی که به احتراق خودبه خودی دارد، نیازمند افزودن ترکیبات کمکی جهت بهبود زمان بندی مناسب احتراق است. در این تحقیق، با استفاده از مدل ترمودینامیکی چندناحیه ای و با درنظر گرفتن توزیع چگالی احتمال برای چینه بندی شرایط اولیه دمایی و گازهای باقی مانده، تاثیر افزودن گاز سنتزی بر احتراق گاز طبیعی در موتور تجربی CFR مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. عوامل تاثیرگذار بر زمان آغاز احتراق، توان و بازده موتور و میزان آلاینده های خروجی مورد ارزیابی و مقایسه قرار گرفته اند. نتایج نشان می دهند که افزودن گازهای سنتزی می تواند گزینه بسیار مناسبی جهت زمان بندی احتراق باشد. افزودن گازهای سنتزی به مخلوط ورودی، ضمن اثرات ناچیز بر توان تولیدی و IMEP، سبب پیش رسی در احتراق و نیز بالاتر رفتن نرخ آزادسازی حرارت می شود که با افزایش نرخ آزادسازی حرارت و بیشینه دما، بازده حرارتی کاهش یافته و تولید NOx افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: موتورهای اشتعال تراکمی همگن، مدل ترمودینامیکی چندناحیه ای، گاز طبیعی، چینه بندی دما، گازهای سنتزی
  • محمدحسین عرب نژاد، محمد شهسواری*، محمد فرشچی صفحه 19
    احتراق کم پیچش یکی از روش های نوین برای پایدارسازی شعله های پیش مخلوط با نسبت هم ارزی کمتر از 1 است. برای استفاده از این روش پایداری شعله در توربین های گازی، شناخت مشخصات جریان و احتراق این نوع شعله ها در شرایط مختلف کاری از اهمیت بسیاری برخوردار است. در این مقاله پدیده های فیزیکی و نحوه پایدارسازی شعله کم پیچش در شرایط دو عدد پیچش با استفاده از شبیه سازی به روش گردابه های بزرگ و روش شعله ضخیم شده، بررسی شده است. نتایج شبیه سازی شعله کم پیچش نشان می دهد که شعله با فاصله مشخصی از لبه مشعل پایدار شده و پایداری آن وابسته به تشکیل ناحیه بازگردشی داخلی در جریان نیست. همچنین، افزایش عدد پیچش از 0/5 تا 0/65 باعث حرکت ناحیه بازگردشی و شعله به سمت بالادست جریان شده ولی سازوکار پایداری شعله تغییر نمی کند.
    کلیدواژگان: احتراق کم پیچش، شبیه سازی گردابه های بزرگ، روش شعله ضخیم شده، ناحیه بازگردشی
  • شهاب مینایی، محمد حقیقی*، مظفر عبدالهی فر، حسین عجمین صفحه 33
    کاتالیست های مختلفی برای تولید هیدروژن در محل طی واکنش ریفورمینگ متانول با بخار آب گسترش داده شده اند. تمامی تلاش ها برای تولید کاتالیستی با میزان فعالیت و انتخاب پذیری بالا برای تولید حداکثر میزان هیدروژن و حداقل کربن مونوکسید ممکن معطوف شده است. در این میان، روش های مختلفی برای بهبود خواص کاتالیستی وجود دارد که می توان به دو دسته عمده تقسیم بندی کرد: الف) استفاده از بهبوددهنده های مختلف، ب) تغییر در پارامترهای روش سنتز نانوکاتالیست. هدف در این بررسی تعیین اثر ماده پیش ساز آلومینا در روش سنتز احتراقی برای سنتز نانوکاتالیست بهبودیافته با 5 درصد سریا است. برای این منظور دو نمونه با مواد پیش ساز بوهمیت و آلومینیوم نیترات سنتز و در ادامه برای تعیین خصوصیات فیزیکی و شیمیایی نانوکاتالیست های سنتزی توسط آنالیزهای XRDBETFESEMFTIR و SEM-EDX بررسی شدند. گونه های CuO و ZnO در الگوهای پراش اشعه X مشاهده شدند و حضور آلومینا به علت شاخص نبودن پیک ها در XRD با آنالیز FTIR و EDX اثبات شد. تصاویر حاصل از آنالیز FESEM مشخص کرد که ذرات کاتالیست سنتزی در محدوده نانو قرار دارند. همچنین، از آنالیز FESEM مشاهده شد که سایز ذرات در نمونه با ماده پیش ساز آلومینیوم نیترات کاهش یافته است و ساختار متخلخل تری به دست آمده است. آزمایش های عملکردی نیز نشان داد که نمونه با ماده پیش ساز آلومینیوم نیترات نتایج بهتری به لحاظ میزان تبدیل و انتخاب پذیری از خود نشان می دهد.
    کلیدواژگان: سنتز احتراقی، ماده اولیه، CuO، ZnO، CeO2، Al2O3، ریفورمینگ متانول، هیدروژن
  • احسان عالمی، مهران رجبی زرگرآبادی* صفحه 47

    این مطالعه درنظر دارد به شبیه سازی سه بعدی محفظه احتراق جت-پایدار و بررسی اثر زاویه تزریق جتها بر خصوصیت های احتراق، جریان و همچنین تاثیر آن بر میزان تشکیل اکسید نیتروژن بپردازد. برای حل معادلات حاکم از روش حجم محدود استفاده شده و جمله های همرفت تمامی معادلات توسط روش توانی گسسته سازی شده است. برای مدلسازی برهمکنش فاز سوخت مایع و هوا نیز دیدگاه اویلر/لاگرانژی اعمال شده و مدل k-ε برای پیش بینی رفتار آشفتگی جریان استفاده شده است. به علت نوسان مشخصه های جریان، روش تابع چگالی احتمال برای تخمین برهم کنش آشفتگی- احتراق استفاده شده و مدل جهت های گسسته برای مدلسازی انتقال حرارت تشعشعی به کار گرفته شده است. نتایج شبیه سازی عددی توزیع دما، سرعت و اجزای واکنشی به دست آمده مطابقت قابل قبولی با داده های تجربی دارد. همچنین، تزریق هوای جت در جهت جریان بالادست منجر به توسعه ناحیه چرخشی و افزایش دمای بیشینه می شود.نتایج نشان می دهد که در تزریق در جهت بالادست، به علت افزایش دما در ناحیه چرخشی مجاور جت، تشکیل اکسید نیتروژن نیز افزایش می یابد. همچنین، با تغییر جهت تزریق از سمت جریان بالادست به پایین دست، توزیع دمای خروجی از محفظه یکنواخت تر شده و تولید اکسید نیتروژن کاهش می یابد.

    کلیدواژگان: محفظه احتراق جت، پایدار، زاویه تزریق جت، اکسید نیتروژن
  • مسعود شفا، کیومرث مظاهری*، علیرضا علی پور صفحه 61
    کوره های صنعتی و نیروگاه ها، با مصرف قابل توجه سوخت های فسیلی، نقش عمده ای درتولید آلاینده های هوا دارند. اکسیدهای نیتروژن ازجمله این آلاینده هایند. در تحقیق حاضر، اثر مکانیزم های سینتیک شیمیایی مختلف در پیش بینی اکسیدهای نیتروژن (NOx با روش کاهش انتخابی کاتالیستی در دودکش کوره های صنعتی و نیروگاه ها، به صورت عددی بررسی شده است. در این روش، آمونیاک در محدوده دمای بین 1150 تا 1350 کلوین به درون دودکش تزریق شده و با واکنش باNO، گاز نیتروژن تشکیل می دهد. هندسه مورد استفاده برای مقایسه با کار تجربی، یک دودکش استوانه ای به طول پنج متر و قطر پنج سانتی متر، مطابق کار آزمایشگاهی استبرگ و همکاران، است. در کار حاضر، چهار مکانیزم شیمیایی میلر، دوو، گلاربرگ و بروور بررسی شده است. با بررسی میزان کاهش آلایندگی NO، مشاهده شد که مکانیزم های سینتیک شیمیایی گلاربرگ و بروور نسبت به دو مکانیزم دیگر خطای کمتری دارند. سپس، توانایی مکانیزم های سینتیک در پیش بینی اثر مواد افزودنی (نیتروژن و هیدروژن) بررسی شد. همچنین، در ادامه پدیده لغزش آمونیاک، با استفاده از مکانیزم شیمیایی گلاربرگ، بررسی شده است. نتایج نشان داد پدیده لغزش آمونیاک، با افزایش دمای ورودی به دماهای بالاتر از 1250 کلوین، کاهش می یابد.
    کلیدواژگان: آلودگی، اکسیدهای نیتروژن، روش کاهش انتخابی غیرکاتالیستی، مکانیزم شیمیایی
  • علی یوسف زاده، امید جهانیان* صفحه 80
    موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن به عنوان نسلی جدید از موتورهای احتراق داخلی شناخته می شوند که با عرضه مناسب بازده و توان در حد موتورهای دیزل، توانسته اند مقدار آلاینده های NOx و مصرف سوخت را تا حد آشکاری کاهش دهند. با توجه به اهمیت این شیوه احتراقی، ابتدا مدل سه بعدی کوپل با سینیتیک مفصل شیمیایی در یک چرخه بسته با نتایج تجربی صحه گذاری شد که خطایی در حدود 5 درصد در تخمین بیشینه فشار را به همراه داشت. این مدل به گونه ای است که ابتدا، در هر گام زمانی، اطلاعات به دست آمده از حل صفربعدی در هر سلول در اختیار مدل سه بعدی قرار می گیرد و سپس معادلات سیالاتی و حرارتی حل می شوند که در صورت همگرایی به گام زمانی بعدی رفته در غیر این صورت حل معادلات سه بعدی تکرار می شود. سپس، احتراق در فشارهای اولیه و نسبت های هم ارزی مختلف بررسی شد که نتایج نشان می دهد افزایش نسبت هم ارزی و کاهش فشار اولیه موجب تاخیر در اشتعال می شود. جهت کاهش کوبش و بهبود عملکرد موتور در حالت متان خالص، از سوخت دوم، دی متیل اتر، استفاده شد که در یک نسبت هم ارزی ثابت، جایگزینی دی متیل اتر به جای متان موجب بهبود عملکرد شد. همچنین، در این کار گونه OH به عنوان گونه ای کنترلی مطرح شد که افزایش ناگهانی آن تطابق خوبی با نرخ آزادسازی گرما در هر دو حالت متان خالص و مخلوط متان و دی متیل اتر دارد.
    کلیدواژگان: موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن، مدلسازی سه بعدی، سینتیک مفصل، متان، دی متیل اتر
  • حسن حبیبی، رحیم خوشبختی سرای*، علیرضا گیمه چی، مجتبی سیابی صفحه 95
    از آنجا که افزایش توان و کاهش آلاینده های یک موتور نیازمند طراحی مجدد است، در کار حاضر، موتور دیزلی MTI4.244 ساخت شرکت موتورسازان تبریز، به عنوان موتور پایه مدنظر قرار گرفته تا با شبیه سازی فرآیند احتراق آن در نرم افزار GT-Suite و اتصال آن به مدل پرخوران و تبادل گازجهت شبیه سازی یکپارچه، امکان بهبود عملکردی و کاهش آلاینده های NOx و دوده این موتور بررسی شود. صحه گذاری نتایج این شبیه سازی در سرعتهای مختلف موتور با استفاده از نتایج تجربی صورت گرفته است. سپس تاثیر متغیرهای زمان بندی پاشش سوخت و میزان EGR بر خصوصیات احتراقی، عملکردی و آلایندگی موتور در شرایط تمام بار مطالعه شده است. برای نمونه، در سرعت RPM1350، که سرعت بیشینه گشتاور این موتور است، صرفا با پیش انداختن زمان آغاز پاشش سوخت به 2 درجه قبل از نقطه مرگ بالا، توان به میزان 53/9 درصد افزایش و آلاینده دوده 87/49 درصد کاهش می یابد، که البته همراه با 12/54 درصد افزایش آلاینده NOx است. در انتها، با پیش انداختن پاشش و استفاده هم زمان از EGR، کاهش هم زمان هر دو آلاینده و افزایش توان به ازای اعمال 20 درصد EGR پیش بینی شده است.
    کلیدواژگان: موتور دیزلی، احتراق، ارتقاء توان، کاهش آلاینده ها، شبیه سازی یکپارچه
|
  • Mostafa Ramzannezhad, Rouzbeh Shafaghat*, Mostafa Mohebbi, Omid Jahanian Page 1
    Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engines due to reduction of NOx and soot emission and also their high flexibility in using different fuel blends, are suitable substitute for conventional diesel engines. Control of combustion initiation is the main challenge in using these engines. However, the use of natural gas as a clean fuel has always been an attractive choice for many numerical and experimental researchers. Due to high octane number of natural gas, this fuel is resistant to auto-ignition; so in order to improve ignition timing, some additives should be supplied. In this study, the effects of added reformer gas on natural gas combustion have been investigated using a multi zone thermodynamic model. Studies have been performed on the CFR engine. Also, probability distribution function for initial temperature stratificationand the effects of residual gas in the engine is considered. Some important parameters such as factors affecting start of combustion, output power, efficiency, and engine emissions have been investigated. The results show that the added synthetic gases can be an appropriate candidate for ignition timing control. Added inlet synthetic gas has a negligible effect on power and IMEP, but causes advanced ignition and increases heat release rate. With increasing heat release rate and maximum temperature, the thermal efficiency will be decreased and NOx production will be increased.
    Keywords: HCCI engine, Multi, Zone model, Natural gas, Temperature stratification, Reformer gas
  • Page 19
    Low swirl combustion is a novel method to stabilize lean premixed flames. In order to utilize this stabilization method in gas turbines, it is required to gain a better understanding of flow and combustion characteristics of low swirl combustion in different working condition. This paper utilizes large eddy simulation (LES) and a thickened flame model to investigate the characteristics of a low swirl flame under two swirl number conditions. Results from simulation of the low swirl flame show that the lifted flame is stabilized above the burner exit by means of a low velocity zone, rather than the presence of a central recirculation zone. With the increase of swirl number from 0.5 to 0.65, the flame and the central recirculation zone move upstream; however, the stabilization mechanism does not change.
    Keywords: LowSwirlCombustion, LargeEddySimulation, ThickenedFlameMethod, Recirculation Zone
  • Page 33
    Different catalysts have been developed for in-situ hydrogen production via steam methanol reforming reaction. Attempts are focused on producing catalysts with high conversion and selectivities to produce maximum hydrogen content and minimum amount of carbon monoxide. In the meantime, there are several ways to improve the catalytic properties which can be classified into two major categories: a) addition of promoters; b) change in the synthesis parameters. The purpose of this study is to determine the effects of alumina precursor in the combustion synthesis method for synthesizing nanocatalysts promoted with 5%wt cerium oxide. Two samples with boehmite and aluminum nitrate precursors were synthesized and analyzed via XRD, BET, FESEM, EDX and FTIR to determine their physicochemical properties. CuO and ZnO were detected in XRD patterns and alumina presence was proved via SED-EDX and FTIR, because no peaks could be detected in XRD patterns. FESEM images showed that particles of synthesized samples were in nano range. FESEM analysis also revealed that the particle size of the sample with aluminum nitrate precursor was reduced and a more porous structure was obtained. Catalytic performance studies also exhibited that the sample with aluminum nitrate precursor yields better results in terms of conversion and product selectivities.
    Keywords: Combustion synthesis, Precursor, CuO, ZnO, CeO2, Al2O3, Methanol Reforming, Hydrogen
  • Ehsan Alemi, Mehran Rajabi Zargarabadi* Page 47

    This paper is aimed to simulate a jet-stabilized combustor three dimensionally and also investigate the influence of the injection direction of the jet on the combustion characteristics and NOX emissions. A Finite Volume method is adopted to discretize the transport equations. The advection terms of all the transport equations are discretized by power law scheme. An Euler/Lagrangian approach is employed to take into account the gas-liquid interactions and model the spray combustion. Due to fluctuating characteristics of the flow, the presumed Probability Density Function (PDF) method is employed to investigate the chemistry-turbulence interactions. In order to estimate the turbulent behavior of the flow, realizable k-epsilon model is chosen and the discrete ordinates model is applied for predicting radiation heat trasfer. The present model of the jet-stabilized combustor is in a good agreement with the measurements. The results have shown that the injection towards upstream enlarges the recirculation zone and the maximum combustion temperature. Also, the higher combustion temperature at the recirculation zone leads to an increase in the NOX formation. Furthermore, injecting the air jet more towards downstream, yields a more uniform temperature at the combustor exhaust and less NOX formation.

    Keywords: Jet stabilized combustor, Jet Injection Direction, NOX Formation
  • Page 61
    Using fossil fuels in industrial furnaces and power plants has a major role in the production of NOx. In the present study, different chemical kinetics are used to predict NOx reduction by selective non-catalytic reduction method (SNCR). In SNCR method, ammonia is injected into the flue gases in stack, in a temprature rang from 1150 to 1350K and converts NOx to nitrogen and H2O. To validate the present simulations, the results are comapred with experimental data of Ostberg et al. from a cylindrical tube of 5ft length and 5in diameter. Four chemical kinetic mechasnisms offered by Miller, Duo, Glarborg and Brouwer are used in this study to predict the NOx reduction. The results indicate that the Glarborg and Brouwer kinetic mechanisms predict the NOx reduction better than the other mechanisms. In this study the effects of inert materials (Hydrogen and Nitrogen) to improve the reduction of NOx by SNCR is also investigated. An important question that should be considered in SNCR method is the ammonia slip phenomenon.Using Glarborg chemical kinetic mechanism, it is found that theammonia slip decreases by increasing the inlet temperature to 1250K.
    Keywords: Pollution, NOx, Selective Non catalytic Reduction method, Chemical kinetics
  • Ali Yousefzadeh, Omid Jahanian* Page 80
    Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engines are known as a new generation of internal combustion engines. They deliver efficiencies and powers in the range of diesel engines and have achieved better fuel economy and lower NOx emission. Considering the importance of this combustion method, first the 3-D CFD model, coupled with detailed chemical kinetics, was validated with experimental results in the close part of the cycle. The results show good agreement with approximately 5% error in estimating the peak pressure. The model was investigated in different initial pressures and equivalence ratios. Results show that SOC is delayed by decreasing the inlet pressure and increasing the equivalence ratio. Dimethyl ether (DME) was used as the second fuel to reduce the knocking in case of pure methane. This work was done in the constant equivalence ratio that resulted good performance. Also, hydroxyl radical (OH*) was introduced as the controlling species and the increase of OH* had a good agreement with the heat release rate in both cases of pure and blended methane.
    Keywords: Homogeneous charge compression ignition, 3, D model, Detailed chemical kinetics, Methane, Dimethyl ether
  • Hasan Habibi, Rahim Khoshbakhti Saray*, Alireza Geymachi, Mojtaba Siaby Page 95
    Since enhancing the engine power needs redesigning, in this work MTI4.244 diesel engine produced by Tabriz Motorsazan Company has been considered to simulate its combustion process. It has been simulated and linked to the turbocharger and gas exchange models, using integrated simulation in GT-Suite, in order to investigate the possibility of power enhancement and pollutant reduction. Then results of this simulation have been validated by the experimental data of engine which have been carried out in Motorsazan Company. In order to improve engine performance and emission characteristics simultaneously, the effects of injection timing and EGR percentage on combustion, performance and emission of this engine at full load conditions have been studied. For example, at 1350rpm, 9.53% improvement in power and 49.87% reduction in soot have been achieved by advancing injection to 2 CA-BTDC. This change of course causes 54.12% increase in NOx. Finally, using 20% EGR and injection advancing, reduction of soot and NOx together with engine power enhancement have been predicted.
    Keywords: Diesel Engine, Combustion, Power Enhancement, pollutant reduction, Integrated Simulation