فهرست مطالب

نشریه سوخت و احتراق
سال پانزدهم شماره 1 (پیاپی 38، بهار 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/03/09
  • تعداد عناوین: 7
|
  • فائزه میرشفیعی، رامین کریم زاده*، رضا خوش بین، زهرا نرگسی صفحات 1-24

    جستجو برای یافتن روش های جایگزین برای تولید سوخت های مهمی همچون بنزین بسیار اهمیت دارد. یکی از این فناوری ها، فرایند تبدیل متانول به بنزین بوده که در آینده جایگاه اقتصادی بالایی خواهد داشت. فعالیت زیولیت ZSM-5 که کاتالیست متداول این فرایند است با گذشت زمان و در اثر رسوب کک کاهش می یابد، در نتیجه تولید یک کاتالیست مقاوم در برابر کک از لحاظ صنعتی مورد توجه است. در این پژوهش، کارایی کاتالیست ترکیبی متشکل از زیولیت های ZSM-5 و Beta در بهبود توزیع محصولات مایع و مقدار رسوب کک مورد مطالعه قرار گرفته است. برای کاهش در هزینه ها، این دو زیولیت بدون استفاده از قالب و با استفاده از منبع طبیعی سبوس برنج سنتز شدند. نتایج نشان می دهد با ورود زیولیت بتا، اسیدیته کاتالیست ترکیبی کاهش داشته که این امر درکنار بهبود خواص ساختاری کاتالیست از طریق ایجاد حفرات مزو، موجب بهبود عملکرد در فرایند MTG شده است به گونه ای که بر روی این کاتالیست، زمان غیر فعال شدن، 60 درصد نسبت به کاتالیست ZSM-5 افزایش داشته است. همچنین بررسی سینتیک فرایند با استفاده از مدل توده ای کرامبک که شامل سه توده متانول/دی متیل اتر، اولفین های سبک و بنزین بوده است نشان داد نتایج حاصل از مدل دارای تطابق بسیار خوبی با نتایج حاصل از آزمایشگاه است.

    کلیدواژگان: زئولیت ترکیبی، ZSM-5، beta، بدون قالب، سینتیک توده ای
  • مهدی هاشمی بنی، سبحان امامی کوپائی*، امیرهمایون مقدادی اصفهانی، علیرضا شیرنشان، رسول کلباسی صفحات 25-52
    در این مقاله به مدل سازی گذرای بویلر نوع دی در حین فرایند تغییر بار پرداخته شد. این نوع بویلرها برای تولید بخار اشباع فرایندی در صنایع کاربرد دارند. در بویلر نوع دی جذب حرارت را می توان به دو بخش کوره و بخش جابه جایی تقسیم نمود. در این نوع بویلر لوله های بخش جابه جایی به صورت غیرمستقیم در معرض حرارت بوده که منجر به تغییر مسیر جریان از درام (Drum) بالا به پایین و بلعکس شده است. از ویژگی های به خصوص این بویلر مدار چرخش درام  آن است که به صورت طبیعی بوده و در نتیجه معادلات موازنه ی هیدرولیکی سیستم نیز باید در نظر گرفته شود. در مدل سازی حاضر معادلات سمت آب (در داخل لوله ها) به صورت یک بعدی و معادلات سمت دود با استفاده از روش ناحیه ای و به صورت سه بعدی در نظر گرفته شده است. معادلات پیوستگی و انرژی گذرا در سمت آب تشکیل یک دستگاه معادلات دیفرانسیل معمولی غیرخطی داده که با استفاده از روش رونه-کوتا حل شده است. برای حل معادلات سمت آب و دود به صورت برهم کنش دو طرفه، در کار حاضر یک کد رایانه ای در محیط نرم افزار فرترن توسعه یافته است. بررسی پارامترهای عملیاتی بویلر در هنگام راه اندازی می تواند در بهبود سیستم کنترلی موجود کمک شایانی کند. نتایج این مدل سازی با داده های بویلر موردنظر در حین راه اندازی سرد مقایسه شد که حداکثر خطا برای فشار بخار، دمای آب درام و دبی بخار خروجی از شیر درام به ترتیب برابر 8/4، 1 و 8/6 درصد است. همچنین پاسخ بویلر به افزایش پله ای درخواست بخار مصرف کننده، کمتر از 20 ثانیه است.
    کلیدواژگان: بویلر اشباع، شبیه سازی دینامیکی، کوره، روش منطقه ای، تغییر بار پله ای
  • سیده فاطمه موسوی، مهدی بقایی*، غزاله احمدی، رضا گلستانی، سینا ثانی، محمدعلی سرودی، هیوا خالدی صفحات 53-70

    توربین گاز V94.2 از پرکاربردترین توربین گاز های مورد استفاده در بخش تولید برق کشور است. در این پژوهش پس از معرفی مختصر و بیان پیشینه پژوهشی در زمینه بررسی آسیب و تخمین عمر در این توربین گاز به تحلیل جامع آیروترمال و ترمومکانیکال در ابعاد و شرایط کاری واقعی محفظه احتراق پرداخته شده است. با توجه به اینکه خزش از پدیده های تعیین کننده در عمر این محفظه احتراق است، در ادامه به بررسی فرایند تخمین عمر خزشی پرداخته شده است. یکی از مراحل مهم در تخمین عمر خزش، پیش بینی زمان شکست قطعه به ازای تنش و دمای هر نقطه از قطعه است. لذا در این پژوهش، ابتدا با شبیه سازی جریان سیال در نرم افزار فلوینت شکل شعله، میدان سرعت و فشار و توزیع دما در نقاط مختلف محفظه احتراق استخراج و صحه گذاری شده است. با استفاده از نتایج شبیه سازی و پس از تحلیل تنش با در نظرگیری اثر خزش در محفظه احتراق به بررسی دو روش پرکاربرد پارامتر لارسون- میلر و شربی- دورن برای محاسبه زمان شکست خزشی پرداخته شده است. آسیب خزشی پس از 40 هزار ساعت کارکرد محفظه احتراق در بار کامل با دو روش مذکور محاسبه شده است. از نواحی بحرانی آسیب خزشی تشخیص داده شده، گره های بحرانی محدودکننده عمر محفظه احتراق با هر دو روش مذکور استخراج شد. نتایج نشان می دهد انتخاب روش پیش بینی زمان شکست نقش مهمی در تشخیص ناحیه بحرانی آسیب، تغییرات آسیب و تخمین عمر خزشی دارد. به طوری که تفاوت در آسیب تشخیص داده شده از دو روش می تواند تا سه برابر تغییر کند.

    کلیدواژگان: محفظه احتراق توربین گاز V94.2، شبیه سازی عددی جریان احتراقی، تخمین عمر خزشی، پارامتر زمان- دما
  • ابراهیم عبدی اقدم*، مجید عطایی ترزنق، حسین کمالی گللو صفحات 71-85
    سیستم سوخت رسانی و اختلاط مناسب سوخت و هوا از چالش های مهم در موتورهای اشتعال جرقه ای است. به دلیل اتمیزه شدن سوخت پاششی توسط انژکتور، تعیین بهترین موقعیت آغاز پاشش سوخت نقش مهمی را روی عملکرد موتور دارد. در پژوهش حاضر از یک موتور تک سیلندر پژوهشی با قابلیت تنظیم زمان بندی جرقه، موقعیت آغاز پاشش و طول پاشش سوخت که به سیستم های سوخت رسانی پاشش راه گاهی بنزین و گاز طبیعی مجهز شده، در سرعت 1800 دور بر دقیقه و نسبت تراکم 11 استفاده شد. در حالت نیم بار، طول پاشش سوخت ها و نسبت جرمی آنها و سرعت موتور ثابت نگه داشته شد و زاویه آغاز پاشش با گام º45 میل لنگ در اثنای چرخه موتور تغییر داده شد. به ازای هر تنظیم زاویه ی آغاز پاشش سوخت فشار سیلندر 400 چرخه متوالی و آلاینده های HC و CO در حالت نیم بار ترکیب سوز داده برداری شد. نتایج حاصله نشان می دهد که با حفظ طول پاشش سوخت ها مقدار آلاینده های خروجی با تغییر زاویه ی آغاز پاشش هر سوخت تغییر می کند و تغییرات آلاینده ها در حالت تغییر زاویه ی آغاز پاشش بنزین نسبت به سوخت گاز طبیعی بیشتر است، همچنین آوانس بهینه ی جرقه در حالت تمام بار نسبت به نیم بار تفاوت 9 درجه ای را نشان می دهد. همچنین از تغییرات انحراف معیار و ضریب تغییرات (COV) فشار موثر متوسط اندیکه (imep) ملاحظه شد که بیشترین مقدار آن ها وقتی است که زمان آغاز پاشش بنزین در °15 میل لنگ بعد از نقطه مرگ بالای تنفسی باشد.
    کلیدواژگان: موتور اشتعال جرقه ای، زمانبندی پاشش سوخت، بنزین، گاز طبیعی، ترکیب سوز
  • زهرا علیزاده کاکلر*، محمدرضا انصاری، محمدعلی سرودی صفحات 86-101

    در بسیاری از اتمایزرها شکست ورقه حلقوی مایع خروجی از اتمایزر مسیول تشکیل افشانه و تعیین مشخصه های افشانه حاصل است. مقاله حاضر به مطالعه ناپایداری ورقه حلقوی مایع خروجی از اتمایزر مایع هوادهی شده، به منظور درک بهتر فرایند شکست اولیه در این نوع اتمایزر، در نسبت های دبی جرمی گاز به مایع بالا پرداخته است. بدین منظور معادله پراکندگی به دست آمده از تحلیل پایداری خطی سه بعدی، برای شرایط جریانی ورقه حلقوی مایع خارج شونده از اتمایزر مایع هوادهی شده در دبی مایع 38/0 لیتر بر دقیقه و نسبت های هوادهی بالای 1/24 درصد و 1/84 درصد، حل شده است. نتایج حل نشان دادند که، در نسبت های هوادهی مورد بررسی، مدهای اغتشاشی متقارن محوری شبه سینوسی مدهای اغتشاشی غالب در شکست ورقه حلقوی مایع خروجی از این نوع اتمایزر هستند. علاوه بر این، مشاهده شد که با افزایش نسبت هوادهی، شکست ورقه مایع در طول موج های کوتا ه تری رخ خواهد داد. هم چنین نتایج مربوط به بررسی اثر لزفواره روی ناپایداری ورقه حلقوی مایع نشان دادند که لزفواره مایع تا حدی اثر پایدارکنندگی داشته و غیرلزج فرض کردن مایع در نسبت های هوادهی بالا می تواند باعث ایجاد خطا در محاسبات مربوط به پایداری ورقه حلقوی و طول شکست مربوط به آن شود.

    کلیدواژگان: ناپایداری خطی، ورقه حلقوی مایع، اتمایزر مایع هوادهی شده، دبی جرمی گاز به مایع
  • محسن موسوی، جواد خادم*، علی صفوی نژاد صفحات 102-122
    مدل سازی ریاضی به عنوان ابزاری برای پیش بینی رفتار احتراقی سوخت ها به کار می رود. استفاده از ساز و کارهای سینتیک شیمیایی مفصل در مدل های احتراقی به افزایش قابل توجه زمان محاسبات می انجامد. الگوریتم های بهینه سازی فراابتکاری یکی از روش های مورد استفاده برای کاهش مکانیزم های مفصل است. هدف این مقاله، بررسی امکان استفاده از الگوریتم های فراابتکاری پیوسته در فضای دودویی برای کاهش مکانیزم احتراقی سوخت دی متیل اتر است. به این منظور از الگوریتم های ازدحام ذرات و تکامل تفاضلی استفاده شده و با استفاده از نگاشتی تحت عنوان مدولاسیون زاویه ای برای نگاشت فضای پیوسته به فضای دودویی، تعداد متغیرهای مسیله از 351 به 6 متغیر کاهش یافته است. در نهایت، از مکانیزم مفصل دی متیل اتر شامل 351 واکنش ابتدایی و 79 گونه شیمیایی، مکانیزم کاهش یافته ای با 43 واکنش ابتدایی و 17 گونه به دست آمده که نتایج حاصل از به کارگیری آن در شبیه سازی دو راکتور فشار ثابت و شعله آرام پیش آمیخته، حداکثر خطای 95/0 درصد را نسبت به مکانیزم مفصل نشان می دهد.
    کلیدواژگان: سینتیک شیمیایی، مکانیزم کاهش یافته، ازدحام ذرات، تکامل تفاضلی، مدولاسیون زاویه ای
  • حسین عجمین، محمد حقیقی* صفحات 123-143
    روش سنتز هیبریدی مایکروویو - احتراقی به عنوان یکی از روش های آسان، موثر و سریع برای تولید نانوکاتالیست ها شناخته شده است. در این تحقیق، اثر اتمسفر احتراق بر روی خواص فیزیکی - شیمیایی و کاتالیستی نانوکاتالیست های CuO/ZnO/Al2O3 به عنوان کاتالیست های فرایند ریفورمینگ متانول با بخار آب مورد بررسی قرار گرفته است. بدین منظور سه نوع نانوکاتالیست با غلظت ها های مختلف اکسیژن اتمسفر در سنتز هیبریدی مایکروویو - احتراقی تهیه شد. خواص فیزیکی - شیمیایی نانوکاتالیست های سنتزی توسط آنالیزهای XRD، FESEM، EDX، BET و FTIR مطالعه شد. مشخص شد که بلورینگی گونه های مس کمتر از دیگر نمونه ها بوده که منجر به پراکندگی بیشتر سایت های مس به عنوان مراکز مهم واکنش ریفورمینگ متانول با بخارآب شناخته می شوند. علاوه بر این مساحت سطح بیشتر و مورفولوژی سطح بهتر نمونه CZA-O60N40 منجر به تبدیل متانول بالاتر شده است. ولی پراکندگی صفحه بلوری Zn(100) منجر به تولید منوکسید کربن به عنوان محصول نامطلوب شده است.
    کلیدواژگان: نانوکاتالیست CuO، ZnO، Al2O3، سنتز احتراقی مایکروویو، غلظت اکسیژن، متانول، هیدروژن
|
  • Faezeh Mirshafiee, Ramin Karimzadeh *, Reza Khoshbin, Zahra Nargessi Pages 1-24

    The search for alternative ways to produce important fuels such as gasoline is crucial. One of these technologies is the process of converting methanol to gasoline, which will have a high economic position in the future. A common catalyst for the MTG process is the ZSM-5 zeolite, which, despite its many benefits, is rapidly deactivated. Therefore, the production of a suitable catalyst with high stability and resistance to coke deposition, is of great interest in the industry. In this study, the efficiency of a composite catalyst consisting of ZSM-5 and Beta zeolites in improving coke stability and distribution of liquid products has been studied. To reduce the costs, the two zeolites were synthesized using a template free method and using a cheap natural source like rice husk. The results showed that with the introduction of Beta zeolite, the acidity of the composite catalyst decreased, which in addition to improving the structural properties of the catalyst by creating mesopores, improved the performance in the MTG process so that on this catalyst, deactivation time increased by 60%. Moreover, the study of process kinetics using Crambeck model, which included 3 lumps of methanol / dimethyl ether, light olefins and gasoline, showed that the results of the model were in good agreement with the results of the laboratory datas.

    Keywords: Composite catalyst, ZSM-5, beta, Template free, lumped kinetic
  • Mehdi Hashemi Beni, Sobhan Emami *, Amir Homayoon Meghdadi Isfahani, Alireza Shirneshan, Rasool Kalbasi Pages 25-52
    In this paper, the dynamic modeling of a D-type boiler was performed during a step increase in loading. The D-type boilers are used in industry to produce process saturated steam. In these types of boilers, heat absorption occurs in two sections of the furnace and the convection section. The pipes of the convection section are indirectly exposed to heat, causes the flow direction to change from the upper drum to lower drum and vice versa. One of the special features of this boiler is that the drum circulation loop is natural and as a result, the hydraulic balance equations of the system must be considered. In the present modeling, the equations of water-side were considered in one-dimensional and the equations of flue gas-side were considered in three-dimensional space using the zonal method. The transient continuity and energy equations of the water-side form a system of nonlinear ordinary differential equations which were solved using the Runge–Kutta method. To solve the water and gas-side equations in two-way coupling method, a Fortran computer program has been developed. Investigation of the boiler operating parameters during start-up can help to improve the existing control system. The comparison of the present results with the test data of the desired boiler showed that maximum modelling errors are equal to 4.8, 1, and 6.8 percent for steam pressure, drum water temperature, and outlet steam of boiler during start-up, respectively. Also, the boiler response to a step increase in consumer steam demand is less than 20 seconds.
    .
    Keywords: Saturated boiler, Dynamic modeling- D-Type bolier
  • Seyyedeh Fateme Mousavi, Mahdi Baghaee *, Ghazaleh Ahmadi, Reza Golestani, Sina Sani, Mohammadali Soroudi, Hiwa Khaledi Pages 53-70

    V94.2 gas turbine is one of the most widely used gas turbines for power generation in Iran. In this study, a brief literature review of damage analysis and life estimation of V94.2 combustor is presented accompanied with aerothermal and thermomechanical analyses in the real operation condition. Since creep failure is one of the limiting factors in the life time of combustion chambers, creep life prediction is insvestigated in this paper. Creep time rupture prediction is one of the most important steps of the creep life calculation. Therefore, first, aerothermal and structural analyses are performed considering the effect of the creep failure on the combustion chamber. Next, creep time rupture is calculated using two well-known methods Larson-Miller and Sherby-Dorn parameters. These parameters for IN617 are extracted as a function of stress based on creep experimental data. The accumulated creep damages of 40’000 hours of full-load operation in the combustion chamber are reported for both above methods. Critical nodes limiting the component life are diagnosed from the detected critical creep damage region. According to the results, the creep rupture time prediction technique plays a vital role in the specification of critical creep damage region, temporal damage variation and consequently, creep life estimation. Therefore, the calculated damage from one technique can be three times greater than the results from the other technique.

    Keywords: Creep Life Assessment, Combustion chamber, V94.2 gas turbine, Time-temperature parameter
  • Ebrahim Abdi Aghdam *, Majid Ataie, Hosein Kamali Gollo Pages 71-85
    Fuel system and proper fuel-air mixing are important challenges in spark ignition engines. Due to time consuming fuel atomization process, determining the best start position for fuel injection is vital in engine performance. In the present work, a single-cylinder research engine equipped with a fuel injection system for gasoline and natural gas, with the ability to adjust spark timing and start of injection positions was used at 1800 RPM and a compression ratio of 11. At a fixed fuel ratio of dual mode, the result showed 9o crank-angle difference between optimum spark advanced of full-load and half-load. At half-load fuel injection period, fuel mass fractions and engine speed were fixed and crank-angle position of start of injection (SOI) was varied along a cycle by a 45o crank-angle step. For each adjusted fuel SOI position, in-cylinder pressure of 400 successive cycles and related HC and CO emissions were collected. The obtained results showed that the emissions were changed by varying SOI position of each fuel fixing fuel injection periods. The emitted gas changes were significant for gasoline SOI variation in compared with those of natural gas. Also, from changes of standard deviation and coefficient of variation of indicated mean effective pressure, it was observed that their highest values occur when gasoline SOI is 15o crank-angle after induction top center.
    Keywords: Spark Ignition Engine, fuel injection timing, Gasoline, Natural gas, Dual-fuel mixture
  • Zahra Alizadeh Kaklar *, MohammadReza Ansari, MohammadAli Soroudi Pages 86-101

    In many atomizers, the breakup of the annular liquid sheet exiting from the atomizer is responsible for the formation of the spray and the determination of the spray characteristics. This paper studies the instability of the annular liquid sheet exiting from the effervescent atomizer at high gas to liquid mass flow ratios, in order to better understand the primary breakup process in this type of atomizer. Therefore, the dispersion equation obtained from the 3D linear stability analysis has been solved for the flow conditions of the annular liquid sheet exiting from the effervescent atomizer at 0.38 L/min liquid flow rate and high aeration ratios of 1.24% and 1.84%. The results showed that in the aerated ratios studied, the axisymmetric para-sinusoidal perturbation modes are the predominant in the breakup of the annular liquid sheet. In addition, it was observed that with increasing aeration ratio, the liquid sheet will breakup at shorter wave lengths. Also, the results of the study of the effect of viscosity on the instability of the annular liquid sheet showed that the viscosity of the liquid has some stabilizing effects and non-viscose assumption of the liquid at high aeration ratios can cause errors in calculations of the stability of the annular sheet breakup and the breakup length.

    Keywords: linear Instability, Annular liquid sheet, Effervescent atomizer, Gas-to-liquid mass flow rate
  • Mohsen Mousavi, Javad Khadem *, Ali Safavinezhad Pages 102-122
    Mathematical modeling is used as a tool to predict the combustion behavior of fuels. The use of detailed chemical kinetics mechanisms in combustion models increases computational time. Metaheuristic optimization algorithms are one of the methods used to reduce the detailed mechanisms. The purpose of this paper is to investigate the possibility of using continuous metaheuristic algorithms in binary space to reduce the combustion mechanism of dimethyl ether fuel. For this purpose, particle swarm optimization and differential evolution algorithms have been used in a combination with angular modulation to map the continuous space to binary one and reduce the dimensions of problem from 351 to 6. Finally, a detailed mechanism with 79 species and 351 reactions is reduced to 17 species and 43 reactions. It has been showed that the reduced mechanism predicts the results of detailed mechanism in constant pressure and laminar premixed flame reactors very well with maximum error less than % 0.95.
     
    .
    Keywords: chemical kinetics, Reduced Mechanism, Metaheuristic optimization algorithms, Angular modulation
  • Hossein Ajamein, Mohammad Haghighi * Pages 123-143
    The hybrid microwave-combustion synthesis method is a facile and rapid pathway for fabrication of nanocatalysts. In this study, the effect of combustion atmosphere on physicochemical and catalytical properties of CuO/ZnO/Al2O3 nanocatalysts as the catalysts of the steam methanol reforming process was investigated. For this aim, three types of nanocatalysts under different oxygen concentration atmosphere were prepared. The characteristic properties of synthesized nanocatalysts were studied by XRD, FESEM, EDX, BET, and FTIR analyses. It was understood that the crystallinity of copper species is lower than the other samples which led to higher dispersion of copper sites as the main core for steam methanol reforming reaction. Moreover, higher surface area and better surface morphology of CZA-O60N40 resulted in higher methanol conversion. Nevertheless, its higher dispersion of Zn(100) crystallite facet led to more CO production as the undesired product.
    Keywords: CuO-ZnO-Al2O3 Nanocatalyst, Microwave Assisted Combustion, Oxygen Content, Methanol, hydrogen