فهرست مطالب

سوخت و احتراق - سال چهاردهم شماره 3 (پیاپی 36، پاییز 1400)

نشریه سوخت و احتراق
سال چهاردهم شماره 3 (پیاپی 36، پاییز 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/07/01
  • تعداد عناوین: 7
|
  • سیروان خالدیان، حسین حاجی آقا علیزاده*، مجید رسولی، به داد شدیدی صفحات 1-15

    هضم بی هوازی (AD) می تواند روشی مناسب برای مدیریت و به دست آوردن انرژی باشد. در پژوهش حاضر، تاثیر افزودن نانوذرات روی (ZnO)، نانوذرات اکسید آهن (Fe3O4) و نانوذرات اکسید کبالت (Co2O3) بر تولید بیوگاز و بیومتان حاصل از هضم بی هوازی پسماند آلی جامد شهری و کود گاوی مورد بررسی و مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان دادند که استفاده از نانوذرات یا عناصر کم مصرف و ضروری با غلظت های بهینه در بستر هاضم به طور بالقوه باعث ایجاد اثراتی مثبت بر پایداری فرایند هضم، کاهش بیشتر ناخالصی ها و گازهای آلاینده موجود در بیوگاز و تولید بیوگاز بیشتر شده است. نانوذرات روی (ZnO)، به دلیل اثر سمی بودن آن روی باکتری های بی هوازی، در روزهای اول، به طور مستقیم روی سمیت باکتری های بی هوازی تاثیر گذاشت و باعث کاهش بیوگاز تولیدی شد. اما، بعد از چند روز، باکتری های بی هوازی خود را با اثر سمی بودن مواد اضافه شده سازگار کردند و قادر به زنده ماندن در چنین شرایطی بودند و درنتیجه بیوگاز تولیدی روند افزایشی پیدا کرد. فرایند هضم بی هوازی وابسته به نانوذرات است. افزایش نانوذرات اکسید آهن (Fe3O4)، نانوذرات روی (ZnO) و کاهش نانوذرات اکسید کبالت (Co2O3) تاثیر مثبتی بر روی نرخ تولید بیوگاز و بازده متان داشت. بهترین غلظت نانوذرات برای نرخ تولید بیوگاز و بازده متان حداکثر، برای نانوذرات اکسید آهن (Fe3O4) 20 تا 28    میلی گرم، برای نانوذرات روی (ZnO) 0.8 تا 1.5 و برای نانوذرات اکسید کبالت (Co2O3)  0.25 تا 0.35 میلی گرم است. بیشترین بیوگاز و متان تولیدی در طول فرایند هضم در همین نقاط ذکرشده به دست آمد.

    کلیدواژگان: نانوذرات، هضم بی هوازی، بیوگاز، پسماند آلی جامد شهری، متان، روش شناسی سطح پاسخ (RSM)
  • روجیار اکبری سنه*، شهرام شریف نیا، غلامرضا مرادی صفحات 17-32

    در پژوهش حاضر، روش سطح پاسخ براساس طراحی باکس-بنکن با هدف بهینه سازی تولید فتوکاتالیستی هیدروژن با استفاده از فتوکاتالیست تیتانیا-کلینوپتیلولیت فرآوری شده بررسی شد. بدین ترتیب، در ساخت فتوکاتالیست، به منظور دستیابی به یک پایه طبیعی موثر، همگن و تکرارپذیر، از روش فرآوری ترکیبی تبادل یونی-بازشویی استفاده شد و بارگذاری 10 درصد وزنی فاز فعال TiO2 بر روی پایه کلینوپتیلولیت فرآوری شده به کمک تابش اولتراسوند در طول فرایند سنتز به روش SSD انجام گرفت. نتایج آنالیزهای شناسایی نشان از خصوصیات فیزیکی-شیمیایی مناسب فتوکاتالیست سنتز شده دارند که آن را برای واکنش فتوکاتالیستی شکافت آب مناسب و موثر می کند. براساس نتایج جدول آنالیز واریانس هر سه متغیر و پارامتر عملیاتی میزان pH محلول، مقدار بارگذاری فتوکاتالیست و مقدار درصد حجمی عامل الکترون دهنده بر روی میزان تولید هیدروژن اثرگذارند. در میان این سه متغیر، میزان pH محلول موثرترین پارامتر شناخته می شود. از بین مدل های مورد ارزیابی در روش سطح پاسخ، مدل مرتبه دوم با بالاترین مقدار ضریب همبستگی (0.9967=R2 و 0.9942=R2adj) بیشترین تطابق را با داده های آزمایشگاهی دارد. با بررسی نحوه اثرگذاری این پارامترها و تعاملاتشان روی پاسخ، می توان دریافت که حداکثر مقدار هیدروژن تولیدی در شرایط بهینه pH بازی برابر با 10، مقدار کاتالیست g L-1 1/1 و مقدار عامل الکترون دهنده 12.5 درصد حجمی به دست می آید.

    کلیدواژگان: واکنش شکافت آب، تولید هیدروژن، روش سطح پاسخ، طراحی باکس-بنکن، تیتانیا
  • حسین مهدوی مقدم*، الیاس رستمی صفحات 33-58

    در این پژوهش تلاش شده است تا روش های تجربی و عددی، به منظور اندازه گیری پارامترهای قطره شوندگی یک سوخت غیرنیوتنی سنگین نفتی به نام مازوت و یک سوخت سبک نفتی به نام دیزل، مورد استفاده قرار گیرد و همچنین چگونگی رفتار اسپری این سوخت ها مطالعه شود. از تجهیزات تصویربرداری بسیار قدرتمندی برای ثبت تصاویر اسپری سوخت ها استفاده شد و با آنالیز تصاویر داده های مدنظر استخراج شد. درنهایت، از روش بیشینه آنتروپی برای تحلیل عددی تابع توزیع جریان اسپری سوخت ها استفاده شد. از اختلاف فشار 15 بار به بعد تقریبا نرخ جریان جرم سوخت ها ثابت باقی می ماند (بین 1/6 تا 1/8 گرم بر ثانیه). زاویه مخروط اسپری سوخت مازوت در ابتدا افزایش می یابد و پس از آنکه جریان به سمت قطره سازی‏ کامل نزدیک شود (در دمای بالای 90 درجه و فشار بالای 15 بار)، تقریبا به مقدار ثابت 80 درجه می رسد (مخروط زاویه اسپری دیزل هم به مقدار تقریبا ثابت 85 درجه می رسد). طول شکست و قطر قطرات نیز با افزایش دما و فشار سوخت روندی نزولی را طی کرده و با توسعه کامل جریان، تقریبا به سمت مقدار صفر میل می کنند. توزیع قطر اندازه قطرات با افزایش گرانروی سیال و توزیع سرعت قطرات با کاهش گرانروی سیال صاف تر و یکنواخت تر می شود.

    کلیدواژگان: تست تجربی، قطره سازی، حل عددی، بیشینه آنتروبی
  • عباس زارع نژاد اشکذری*، صادق پورتقی یوسفده صفحات 59-97

    در مطالعه حاضر به بررسی آزمایشگاهی تاثیر همزمان امولسیون حاصل از اتانول-بیودیزل-دیزل بهمراه نانوذرات TiO2 بر روی مشخصه های آلایندگی و عملکرد یک موتور دیزلی پاشش مستقیم در EGRهای مختلف پرداخته شده است. نانوذرات TiO2 در سه سطح 0، 40 و 60 ppm به بیودیزل روغن پسماند آشپزخانه در سطح های 0، 10 و 20 درصد حجمی و اتانول در سطح های0، 4 و 6 درصد حجمی اضافه شد و از سیستم EGR در نرخ های 0، 20 و 30 درصد استفاده شد. در مجموع 31 ترکیب بیودیزل-دیزل، اتانول-دیزل و اتانول-بیودیزل-دیزل به همراه نانوذرات TiO2 و درصدهای مختلف EGR، در بار کامل و در سرعت های 1000، 1400 و 1800 rpm مورد بررسی قرار گرفتند که به صورت اختصاری با BxEy+EGRw+TiO2z نامگذاری شدند. x، y، w و z به ترتیب نشان دهنده درصدحجمی بیودیزل، اتانول، EGR و TiO2 استفاده شده در ترکیب اند. نتایج نشان داد که استفاده از ترکیب B10E4+EGR20+TiO260 انتشار NOx ، CO و HC را نسبت به دیزل خالص به ترتیب 8/5، 3/20 و 40 درصد کاهش داد. همچنین توان خروجی در B10E0+TiO260، 2/11 درصد نسبت به دیزل خالص، بهبود یافت، در صورتی که با استفاده از ترکیب امولسیونی B10E4+EGR30، مصرف سوخت موتور 7/26 درصد نسبت به دیزل خالص، افزایش یافت.

    کلیدواژگان: نانوذرات، بازگردانی گازهای خروجی، سوخت زیستی، مطالعه تجربی
  • محمدامین عطارزاده، سید عبدالمهدی هاشمی*، اسماعیل ابراهیمی فردویی صفحات 98-122
    هدف از مطالعه حاضر بررسی تاثیر شرایط حرارتی دیواره و ترکیب اکسنده روی ساختار شعله و محدوده تشکیل رژیم های احتراقی معمولی، دما بالا و بدون شعله است. بدین منظور کوره احتراق غیرپیش آمیخته دانشگاه لیسبون با استفاده از نرم افزار متن باز اپن فوم و همچنین محاسبات شیمیایی به کمک حلگر شعله نفوذی جریان متقابل بررسی شده اند. در مطالعه عددی از مدل های آشفتگی k-ε استاندارد، احتراقی مفهوم اتلاف گردابه اصلاح شده و تشعشعی DO همراه با ضرایب جذب و گسیل جسم خاکستری در شش طول باند مختلف استفاده شده است. مطابق با نتایج، تغییر ترکیب اکسنده و شرایط حرارتی دیواره، مسیرهای واکنشی را تغییر می دهد. جایگزینی CO2 با N2 درون اکسنده و تلفات حرارتی سبب می شود تا بیشینه رادیکال هیدروکسیل کاهش یافته و با افزایش فاصله محوری آغاز واکنش های شیمیایی، تاخیر در اشتعال افزایش یابد. عامل اصلی تغییر ساختار شعله با جایگزینی CO2 با N2 در رژیم های معمولی و بدون شعله همراه با اتلاف حرارتی به ترتیب اثرات فیزیکی از طریق واکنش های O+HO2⇌OH+O2، O+CH4⇌OH+CH3 و 2OH⇌O+H2O و اثرات شیمیایی به وسیله واکنش های H+O2⇌O+OH و H+OH+M⇌H2O+M اند. در رژیم احتراق دما بالا سهم اثرات فیزیکی و شیمیایی روی ساختار شعله تقریبا برابر بوده و واکنش های O+H+M⇌OH+M، OH+CO⇌H+CO2 و OH+HO2⇌O2+H2O عامل کاهش هیدروکسیل اند.
    کلیدواژگان: احتراق غیرپیش آمیخته، رژیم احتراقی، ترکیب اکسنده، شرایط حرارتی دیواره، ساختار شعله
  • محمد صفرزاده، قاسم حیدری نژاد، هادی پاسدار شهری* صفحات 123-141

    از میان مطالعات تجربی و عددی که در زمینه ی آتش انجام شده است، آتش استخری بیش از سایر سناریوهای آتش، مورد استقبال قرارگرفته است. در این مقاله، به منظور بررسی تاثیر مدل‏ های احتراقی مختلف بر نتایج شبیه‏ سازی آتش، آتش استخری مطالعه می‏شود. به این منظور مدل احتراقی تولید فلیملت منیفولد به کار گرفته شده و نتایج آن با سه مدل احتراقی سینتیک بسیار سریع، اضمحلال گردابه و مفهوم اضمحلال گردابه مقایسه می ‏شود. با مقایسه‏ ی نتایج متوسط سرعت و نوسانات آن، مشاهده می شود که دقت مدل احتراقی تولید فلیملت منیفولد، بدون در نظر گرفتن اثر تشعشع، در پیش بینی پدیده‏ ی پوفینگ و فرکانس آن، متوسط مجذور نوسانات سرعت عمودی و انرژی جنبشی اغتشاشی بهتر از سایر مدل های احتراقی است. به عنوان مثال، نتایج مدل احتراقی تولید فلیملت منیفولد در پیش‏بینی فرکانس پوفینگ کمتر از 3 درصد، خطای نسبی با نتایج تجربی دارد؛ اما سایر مدل‏ های احتراقی بیشتر از 10 درصد خطا دارند. در پیش بینی میدان سرعت، مدل احتراقی اضمحلال گردابه، دقت بالاتری نسبت به مدل تولید فلیملت منیفولد دارد.

    کلیدواژگان: مدل احتراقی، شبیه ‏سازی گردابه ‏های بزرگ، تولید فلیملت منیفولد، اضمحلال گردابه، سینتیک سریع
  • امیر رستم پور، رضا خوش بین، رامین کریم زاده* صفحات 142-161
    در این پژوهش در ابتدا سیلیکای آمورف خالص از خاکستر سبوس برنج به طریق استخراج اسیدی سپس کلسیناسیون و استخراج قلیایی و درنهایت تیتراسیون توسط اسید استخراج شد. در ادامه، سنتز جاذب ها از طریق بارگذاری مس، روی و سریم به میزان 13% وزنی فلز به روش تلقیح بر روی پایه سیلیکا انجام شد. در نهایت، عملکرد جاذب های سنتز شده در فرایند گوگردزدایی جذبی جهت حذف ماده 4و6-دی متیل دی بنزوتیوفن از سوخت مدل بررسی شد. برای بررسی خواص فیزیکی- شیمیایی جاذب های سنتز شده از آنالیزهای BET و FESEM که مجهز به EDX است، استفاده شده است. ایزوترم جذب و واجذب نیتروژن برای نمونه ها نشان داد که حفره ها در محدوده مزو(nm50-2) قرار دارند. بیشترین میزان ظرفیت جذب در غلظت ppm 500 برای جاذب بارگذاری شده توسط مس برابر mg/g 23/7 حاصل شد. همچنین با بررسی ایزوترم های تعادلی لانگمویر، فرندلیچ و دوبینین- رادوشکویچ، ایزوترم لانگمویر بیشترین تطابق را با داده های تجربی داشت. طبق ایزوترم دوبینین- رادوشکویچ ثابت شد، مکانیزم غالب در جذب سطحی در این پژوهش، فیزیکی است. جهت بررسی سینتیک جذب معادلات شبه درجه اول و شبه درجه دوم نیز بررسی شدند. سینتیک شبه درجه دوم با R2 برابر 0/99 با داده های تجربی برازش شد.
    کلیدواژگان: گوگردزدایی جذبی، خاکستر سبوس برنج، سیلیکا
|
  • Sirvan Khaledian, Hossein Haji Agha Alizade *, Majid Rasouli, Behdad Shadidi Pages 1-15

    The use of organic fraction municipality solid waste (OFMSW) in the process of anesthetic digestion (AD) can be a good way to manage and extract energy. In the present study, the effect of adding ZnO nanoparticles (ZnO) nanoparticles and iron oxide nanoparticles (Fe3O4) and cobalt oxide nanoparticles (Co2O3) on the production of biomass and biomass from anaerobic digestion organic fraction municipality solid waste (OFMSW) and cattle manure (CM) reviewed and studied. The results showed that using nanoparticles with low and essential nutrients with optimal concentrations in digesters could potentially have positive effects on the stability of the digestion process, the reduction of further impurities and pollutants in the biogas, reduction of volatile fatty acids (VFA) and biogas production has been increased. Due to the toxicity of ZnO nanoparticles on bacterial bacteria in the first days, it directly affected the toxicity of bacterial bacteria and reduced the production of biogas. But after a few days, bacterial bacteria became familiar with the toxicity of added substances and were able to survive in such conditions, and increased the production of biogas. The anaerobic digestion process is highly dependent on nanoparticles. Increasing the iron oxide nanoparticles (Fe3O4) and ZnO nanoparticles (ZnO) and reducing the cobalt oxide nanoparticles (Co2O3) have a positive effect on the biogas production rate and methane yield. The best concentration of nanoparticles for the biogas production rate and maximum methane yields are 20-28 milligrams of iron oxide nanoparticles (Fe3O4) for zinc (ZnO) 0.8 to 1.5 nanoparticles and 0.25 to 0.35 milligrams for cobalt oxide nanoparticles (Co2O3). Most produced biogas and methane were obtained during the digestion process at the points mentioned..

    Keywords: Nanoparticles, anaerobic digestion, Biogas, organic fraction municipality solid waste, Methane, Response sesurface methodology
  • Rojiar Akbari Seneh *, Shahram Sharifnia, Gholamreza Moradi Pages 17-32

    In present study, the optimization of hydrogen production by water splitting over TiO2/treated clinoptilolite photocatalyst was investigated using Box–Behnken design (BBD) combined with response surface methodology (RSM). In the photocatalyst preparation, the combined ion exchange-alkaline treatment was used to achieve a chemical homogenous, reproducible and effective natural support. Moreover, 10 wt.% of TiO2 nanoparticles was loaded over zeolitic supports using facile and cost effective solid state dispersion (SSD) method in the presence of ultrasound irradiation. The characterization results indicated suitable optical and physico-chemical properties of the as-synthesized photocatalyst which making it effective in the water splitting reaction. The operational variables considered in Box-Behnken method included pH solution, photocatalyst dosage and sacrificial agent concentration. Based on the ANOVA results, all three process variables affect the hydrogen production. Among them, the most significant effect is attributed to pH solution. The application of the RSM resulted in the formulation of several models out which the quadratic model with the highest value of the determined R2 coefficients (R2=0.9967 and R2adj=0.9942) was adjudged to adequately fit the experimental data. By examining how the process variables and their interactions affect the response, it can be found that the maximum efficiency of hydrogen production was obtained at optimum conditions of alkaline solution pH of 10, catalyst dosage of 1.1 g/L and sacrificial agent concentration of 12.5 vol.%.

    Keywords: Water Splitting Reaction, Hydrogen production, Response Surface Methodology, Box-Behnken design, Titania
  • Elyas Rostami Pages 33-58

     In this research, an attempt has been made to use experimental and numerical methods to measure the powdering parameters of a heavy non-Newtonian oil fuel called Mazut and a light petroleum fuel called diesel, as well as to investigate the spray behavior of these fuels. Very powerful imaging equipment was used to record the spray images of the fuels and the data were extracted by analyzing the images. Finally, the method of maximum entropy was used for numerical analysis of the distribution function of fuels spray. From a pressure difference of 15 bar onwards, the mass flow rate of the fuel remains almost constant (between 1.6 and 1.8 g/s). The angle of the Mazut fuel spray cone initially increases, and after the flow approaches full atomization (at temperatures above 90 ° and pressures above 15 bar), it reaches approximately a constant value of 80° (the diesel spray cone angle also reaches an almost constant value of 85°). The breakup length and droplets diameter also decrease with increasing fuel temperature and pressure, and with the full development of the flow, they tend to almost zero. The diameter size distribution of droplets becomes smoother and more uniform by increasing the viscosity of the fluid. Also, the velocity distribution of droplets becomes smoother and more uniform by decreasing the viscosity of the fluid.

    Keywords: Experimental Testing, atomization, Numerical Solution, Maximum Entropy
  • Abbas Zarenezhad Ashkezari *, Sadegh Pourtaghi Yousefdeh Pages 59-97

    In this study, the simultaneous effect of ethanol-biodiesel-diesel emulsion with TiO2 nanoparticles in different EGRs on emission characteristics and performance of a direct injection diesel engine was investigated. TiO2 nanoparticles at three levels of 0, 40 and 60 ppm were added to biodiesel produced from waste cooking oil at levels of 0, 10 and 20% and ethanol at levels of 0, 4 and 6% and an EGR system was used at rates of 0, 20 and 30 %. A total of 31 mixtures from biodiesel/diesel, ethanol/diesel and ethanol/biodiesel/diesel emulsions with TiO2 nanoparticles and different percentages of EGR were tested at full load at speeds of 1000, 1400 and 1800 rpm. Briefly named with BxEy + EGRw + TiO2z, that x, y, w, and z represent the biodiesel volume percentage, ethanol, EGR, and TiO2 percentage used in the mixture, respectively. The results showed that the use of B10E4 + EGR20 + TiO260 reduced NOx, CO and HC compared to pure diesel by 5.8, 20.3 and 40 percent, respectively. Also, the output power of B10E0 + TiO260 was improved by 11.2 percent compared to pure diesel. In addition, by using B10E4 + EGR30, fuel consumption increased by 26.7 percent compared to pure diesel. .

    Keywords: : Nanoparticles, Exhaust Gas Recirculation, Biofuel, experimental study
  • Mohammadamin Atarzadeh, Seyed Abdolmehdi Hashemi *, Esmaeil Ebrahimi Fordoei Pages 98-122
    The aim of this study is to investigate the effect of wall thermal conditions and oxidant composition on the flame structure and map of combustion regimes. For this purpose, non-premixed combustion furnace of the Lisbon University has been investigated using the open source OpenFoam software as well as chemical calculations with the help of counter-flow diffusion flame solver. In numerical study, standard k-ε turbulence model, modified EDC combustion model, and discrete phase radiation model with the calculation of absorption and emission coefficients at six different wavelengths have been used. The results of simulations and kinetic calculations show that the change in oxidant composition and wall thermal conditions leads to changes in reaction pathways. Replacement of CO2 with N2 in the oxidant and presence of heat losses lead to fundamental changes in flame structure. The presence of wall heat loss, especially in conventional and flameless combustion regimes, leads to fundamental changes in the reaction pathways and alters flame structure, while the main contribution to the changes of flame structure is different physical and chemical properties of CO2 in comparison with N2 at conventional and flameless regimes, respectively. In the high temperature combustion regime, the contributions of physical and chemical effects are almost equal.
     
    .
    Keywords: Non-premixed combustion, Combustion Regime, Oxidant Composition, Thermal Condition of Wall, Flame Structure
  • Mohammad Safarzadeh, Ghassem Heidarinejad, Hadi Pasdarshahri * Pages 123-141

    Among the experimental and numerical studies conducted in the field of fire, the pool fire has been welcomed more than other fire scenarios. In this paper, pool fire is studied to investigate the effect of different combustion models on the fire simulation. For this purpose, the combination model of flamelet generated manifold (FGM) is used and its results are compared with three infinite fast chemistry (IFC), eddy dissipation (EDM) and eddy dissipation concept (EDC) combustion models. By comparing the mean velocity results and its fluctuations, it is observed that the accuracy of the FGM combination model, regardless of radiation effect, is better than other combustion models in predicting of the puffing phenomenon and its frequency, the mean square of vertical velocity, mean turbulence kinetic energy. For example, the FGM combustion model has less than 3% relative error with experimental results in prediction of the puffing frequency; but other combustion models are more than 10% relative error. In the prediction of the mean velocity field, the EDM combustion model has a higher accuracy than the FGM.

    Keywords: Combustion model, Large Eddy Simulation, Flamelet generated manifold, Eddy dissipation, Infinite chemistry
  • Amir Rostampoor, Reza Khoshbin, Ramin Karimzadeh * Pages 142-161
    In this study, the aim is to extract pure amorphous silica from rice husk ash by acid leaching, then calcination and base leaching, and finally titration by acid. Then, the synthesis of adsorbents was performed through loading of copper, zinc and cerium at the rate of 13% by weight of metal by impregnation method on silica support. Finally, the performance of the synthesized adsorbents in the adsorptive desulfurization process was investigated to remove 4, 6-dimethyldibenzothiophene from the model fuel. Nitrogen adsorption - desorption isotherms for the samples showed that the pores are in the mesopore range. The highest adsorption capacity was obtained at a concentration of 500 ppm for CuO/SiO2 adsorbent equal to 23.7 mg/g. Also, by examining the Langmuir, Freundlich and Dubinin-Radushkevich equilibrium isotherms, the Langmuir isotherm was most consistent with the experimental data. Also, according to Dubinin-Radushkevich isotherm it was proved that the dominant mechanism in adsorption is chemical. In order to investigate the adsorption kinetics in this study, pseudo-first order and pseudo-second order equations were also examined. The pseudo-second order kinetic was fitted with experimental data with R-squared of 0.99 were fitted to the experimental data. BET and FESEM equipped with EDX analyzes have been used to investigate the physicochemical properties of the synthesized adsorbents. Also, the concentration of fuel solution was determined by UV-VIS.
    Keywords: Adsorptive Desulfurization, Rice Husk Ash, Silica