فهرست مطالب
نشریه سوخت و احتراق
سال هجدهم شماره 1 (پیاپی 50، بهار 1404)
- تاریخ انتشار: 1403/12/12
- تعداد عناوین: 5
-
-
صفحات 1-28مطالعه حاضر به بررسی احتراق پیش آمیخته آمونیاک / متان در محیط متخلخل و تاثیر پارامترهای مختلف بر ویژگی های احتراق و تولید آلاینده ها می پردازد. استفاده از آمونیاک به عنوان یک سوخت بدون کربن در ترکیب با متان، چالش هایی نظیر کاهش کیفیت احتراق، پایداری شعله و افزایش تولید اکسیدهای نیتروژن (NOx) را به همراه دارد. به منظور رفع این مشکلات، استفاده از محیط متخلخل در محفظه احتراق می تواند به بهبود شرایط احتراق و کاهش تولید آلاینده ها کمک کند. برای بررسی این ایده در این تحقیق، تاثیر پارامترهای مختلف نظیر تخلخل محیط متخلخل (0.5. تا 1.0)، کسر سوخت آمونیاک در مخلوط آمونیاک / متان (0.1 تا 0.9) و نسبت هم ارزی سوخت به هوا (0.5. تا 1.0) به طور عددی بررسی و نتایج حاصل با داده های تجربی مقایسه شده است. برای شبیه سازی احتراق پیش آمیخته آمونیاک / متان از یک مدل آشفتگی با مکانیسم سینتیک شامل 42 گونه و 130 واکنش استفاده شده است. نتایج نشان می دهند که تغییرات تخلخل و نسبت سوخت، تاثیرات قابل توجهی بر دمای احتراق، انتشار گازهای آلاینده و پایداری شعله دارند. با کاهش سهم متان در سوخت با افزودن آمونیاک به ترکیب سوخت، کسرجرمی تولید دی اکسید کربن در محیط بدون تخلخل از 39 درصد برای متان خالص به 24 درصد برای ترکیب آمونیاک/ متان کاهش می یابد که نشان گر کاهش 38 درصد در کسرجرمی تولید دی اکسید کربن است. همچنین با استفاده از محیط متخلخل برای احتراق آمونیاک / متان در مقایسه با محیط بدون تخلخل کسرجرمی NOx از 2527 پی پی ام به 2319 پی پی ام کاهش می یابد که کاهش 8/2درصد را نشان می دهد. همچنین در محیط متخلخل این کاهش در کسرجرمی تولید دی اکسید کربن برابر با 33 درصد است. این نتایج اهمیت بهینه سازی هم زمان تخلخل، نسبت سوخت و نسبت هم ارزی در سیستم های احتراقی را برای کاهش آلاینده ها و افزایش کارایی فرایندهای احتراقی نشان می دهد.کلیدواژگان: احتراق محیط متخلخل، آمونیاک، متان، اکسیدهای نیتروژن، دی اکسیدکربن
-
صفحات 29-48
: در این پژوهش، عملکرد محفظه احتراق حلقوی یک میکروتوربین با استفاده از گاز سنتز حاصل از زغال سنگ و زیست توده شبیه سازی شد. هدف اصلی پژوهش بررسی عملکرد محفظه و تولید آلاینده ها در شرایط احتراقی پیش آمیخته است. شبیه سازی ها با استفاده از مدل احتراقی نیمه پیش آمیخته و مدل توربولانسی k-epsilon Realizable انجام گرفت. مدل احتراقی نیمه پیش آمیخته، با ترکیب مزایای احتراق پیش آمیخته و غیرپیش آمیخته، امکان تحلیل دقیق فرآیند احتراق را فراهم کرده و قابلیت پیش بینی دقیق رفتارهای پیچیده جریان های مغشوش و واکنش های شیمیایی را ارائه داد. جریان سوخت و هوا به صورت پیش مخلوط در نظر گرفته شد که این رویکرد باعث بهبود یکنواختی دما و کمک به کاهش تولید آلاینده NOx در استفاده از گاز سنتز شد. بررسی کسر جرمی OH نشان داد که گاز سنتز حاصل از زغال سنگ، به دلیل محتوای بالای هیدروژن و سرعت احتراق بیشتر، کوتاه ترین شعله را ایجاد می کند. میزان انتشار آلاینده های NOx و CO برای این سوخت به ترتیب برابر با ppm 23/3 و ppm 227/3 بود. از سوی دیگر، گاز سنتز حاصل از زیست توده، به دلیل وجود متان در ترکیب خود، میدان دمایی مشابه با احتراق متان خالص ایجاد کرد. با این حال، ترکیب بالای متان و مونوکسیدکربن باعث تولید میزان زیادی از آلاینده CO به مقدار ppm2914 شد. همچنین، این سوخت بیشترین میزان انتشار آلاینده NOx را با مقدار ppm 29/9 نشان داد. بررسی ها نشان داد که استفاده از گاز سنتز حاصل از زغال سنگ در شرایط احتراقی پیش آمیخته آلاینده NOx و نقاط داغ را کاهش می دهد.
کلیدواژگان: شبیه سازی عددی، محفظه احتراق حلقوی، میکروتوربین، گاز سنتز، آلاینده های Nox -
صفحات 49-64کاهش مکانیزم های شیمیایی به منظور کاهش زمان محاسبات شبیه سازی های احتراقی دارای اهمیت ویژه است. هدف اصلی در این مطالعه، کاهش مکانیزم شیمیایی سوخت JP-10 است. از این رو با استفاده از یک طرح ابتکاری، روش های کاهش مکانیزم آنالیز حساسیت، گراف مرتبط جهت دار و گراف مرتبط جهت دار با انتشار خطا ترکیب شد و مکانیزم کامل JP-10 با 7740 واکنش و 320 گونه به 257 واکنش و 48 گونه کاهش یافت. در این راستا از نرم افزار انسیس کمکین برای کاهش مکانیزم و شبیه سازی احتراق استفاده شد. سپس نتایج شبیه سازی احتراق JP-10 در مدل راکتور همگن با استفاده از دو مکانیزم کامل و کاهش یافته مقایسه شد. نتایج با دقت خوبی بر هم منطبق بوده و خطای شبیه سازی کمتر از 10 درصد است. همچنین نتایج نشان داد که روش های گراف مرتبط جهت دار و گراف مرتبط جهت دار با انتشار خطا، دارای سرعت بالا و دقت خوبی در شناخت گونه های کم اهمیت مکانیزم هستند. اما روش آنالیز حساسیت، دارای سرعت کمتری است. مقایسه ی نتایج با نتایج آزمایشگاهی سایر محققان نیز نشان می دهد که مدل مورد استفاده در این پژوهش از دقت بالایی برخوردار است و می توان از مکانیزم پیشنهادی با اطمینان در شبیه سازی های احتراقی استفاده نمود.کلیدواژگان: کاهش مکانیزم، مکانیزم JP-10، آنالیز حساسیت، گراف مرتبط جهت دار، گراف مرتبط جهت دار با انتشار خطا
-
صفحات 65-91در این پژوهش، طراحی مفهومی و بهینه سازی یک محفظه احتراق توربین گاز هوایی مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است. محفظه احتراق موتور مورد بررسی، CFM56-3 بوده و اطلاعات اولیه از نرم افزار گزترب و مطالعات مشابه، استخراج شده است. در این پژوهش نحوه محاسبه مساحت و قطر مرجع مورد مطالعه قرار گرفته و نحوه انتخاب قطر مناسب ارائه شده است. در ادامه، بخش های مهم طراحی محفظه احتراق، شامل تقسیم بندی هوا، دیفیوزر، چرخاننده هوا، دمای شعله، تعداد و اندازه سوراخ های بخش های مختلف، بازده احتراقی و مقادیر آلاینده ها با استفاده از روش های شیمیایی و روش های نیمه تجربی، ارائه و اعتبارسنجی شده است. در ادامه، طراحی های صورت گرفته، با استفاده از الگوریتم بهینه سازی چندهدفه NSGA-II و نرم افزار متلب به یک دیگر کوپل شده اند. بهینه سازی ها در این پژوهش برای 4 هدف هم زمان و متعارض افزایش بازده احتراق، کاهش طول محفظه احتراق و کاهش آلاینده های مونوکسید کربن و ناکس صورت گرفته است. نتایج پژوهش حاضر نشان داده که درصورت استفاده از الگوریتم های چندهدفه و اعمال مناسب قیود عملکردی برای محفظه احتراق توربین های گازی، می توان عملکرد حرارتی را تا 5/1 درصد، طول محفظه احتراق را تا 8/7 درصد و آلاینده های تولیدی را متوسط تا 64 درصد نسبت به طرح اولیه بهبود داد.کلیدواژگان: طراحی مفهومی، محفظه احتراق، توربین گاز هوایی، آلایندگی، بهینه سازی چندرشته ای
-
صفحات 92-114
مطالعه حاضر به بررسی تاثیر انواع افزودنی های سوخت اکسیژنه بر عملکرد موتور دیزل می پردازد. انتشارات هدف ارزیابی این مواد افزودنی نه تنها از نقطه نظر عملکرد، بلکه با در نظر گرفتن عوامل محیطی از طریق روش تحلیل اکسرژی-زیست محیطی است. این تحقیق عملکرد موتور دیزل را با استفاده از ترکیبات سوخت معمولی و اکسیژن دار، با تمرکز بر بیودیزل، دی متیل کربنات (DMC) و دی اتیلن گلیکول (DEG) ارزیابی می کند. این آزمایش شامل مقایسه بازده سوخت، انتشار گازهای گلخانه ای و رفتار موتور با این مواد افزودنی است. برای درک مفاهیم زیست محیطی، این مطالعه از روش اکسرژی-زیست محیطی استفاده می کند که تجزیه و تحلیل اگزرژی را با ملاحظات زیست محیطی ادغام می کند. نتایج نشان می دهد که استفاده از این افزودنی های اکسیژن دار منجر به اثرات متفاوتی بر عملکرد موتور و انتشار گازهای گلخانه ای می شود. افزودن بیودیزل تمایل به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای مانند ذرات معلق و اکسیدهای نیتروژن دارد، در حالی که DMC و DEG نیز به کاهش انتشار کمک می کنند اما با تاثیرات متفاوت بر راندمان موتور. تجزیه و تحلیل خارجی محیطی چشم انداز جامعی در مورد هزینه ها و مزایای زیست محیطی استفاده از این افزودنی های سوخت ارائه می دهد. به طور کلی، این مطالعه بینش هایی را در مورد اینکه چگونه افزودنی های سوخت اکسیژنه می توانند بر عملکرد موتور دیزل و انتشار گازهای گلخانه ای تاثیر بگذارند، ارائه و بر اهمیت متعادل کردن عملکرد با تاثیرات زیست محیطی تاکید می کند. این یافته ها به اکتشاف مداوم جایگزین های سوخت پاک تر در موتورهای دیزل، با تمرکز بر بهینه سازی عملکرد موتور و پایداری محیطی کمک می کند.
کلیدواژگان: بیودیزل، انرژی زیستی، تولید پایدار، اگزرژی، افزودنی سوخت
-
Pages 1-28The present study investigates the combustion of an ammonia/methane mixture in a porous medium and the impact of various parameters on the stability and intensity of this process. The use of ammonia as a carbon-free fuel presents challenges such as reduced flame temperature and speed, which may hinder effective heat transfer in combustion systems. Additionally, the nitrogen present in ammonia can lead to increased production of nitrogen oxides (NOx), which are major air pollutants. To address these issues, the use of a porous medium in the combustion chamber can help improve combustion conditions and reduce pollutant emissions. In this study, the effects of various parameters, such as the porosity of the porous medium (ranging from 0.5 to 1.0), the ammonia fuel fraction in the ammonia/methane mixture (ranging from 0.1 to 0.9), and the fuel-to-air equivalence ratio (ranging from 0.5 to 1.5), were numerically investigated and compared with experimental data. The results show that variations in porosity and fuel ratio have significant effects on combustion temperature, pollutant emissions, and flame stability. An increase in porosity enhances heat and mass transfer, thereby improving flame stability and combustion temperature. Furthermore, increasing the methane fraction in the fuel mixture raises the combustion temperature, while increasing the ammonia share can result in lower temperature and higher NOx production. These findings highlight the importance of optimizing the porosity, fuel ratio, and equivalence ratio simultaneously in combustion systems to reduce pollutants and enhance the efficiency of combustion processes.
.Keywords: Porous Medium Combustion, Ammonia, Methane, Nitrogen Oxide Emissions, Carbon Dioxide Emissions -
Pages 29-48
In this study, the performance of an annular combustion chamber of a microturbine was simulated using syngas derived from coal and biomass. The primary objective is to investigate the combustion chamber’s performance and pollutant emissions under premixed combustion conditions. The simulations are conducted using a partially premixed combustion model and the k-epsilon Realizable turbulence model. The partially premixed combustion model, by integrating the advantages of both premixed and non-premixed combustion, enabled an accurate analysis of the combustion process and provided precise predictions of complex turbulent flow behaviors and chemical reactions. The fuel and air were assumed to be premixed, which improved temperature uniformity and contributed to a reduction in NOx emissions when using syngas. An analysis of the OH mass fraction revealed that coal-derived syngas, due to its high hydrogen content and faster combustion rate, produces the shortest flame. The NOx and CO emissions for this fuel were 3.23 ppm and 227.3 ppm, respectively. On the other hand, biomass-derived syngas generates a temperature field similar to that of pure methane combustion due to its methane content. However, the high concentrations of methane and carbon monoxide resulted in a significant CO emission of 2914 ppm. This fuel also exhibited the highest NOx emission, reaching 29.9 ppm. The findings indicate that utilizing coal-derived syngas in premixed combustion conditions reduces NOx emissions and thermal hotspots.
Keywords: Numerical Simulation, Annular Combustion Chamber, Microturbine, Syngas, Nox Emissions -
Pages 49-64Reduction of chemical mechanisms is of particular importance to decrease the computational time of combustion simulations. The main goal of this research is to reduce the chemical mechanism of JP-10. To achieve this, an innovative approach was applied, which combined various mechanism reduction methods, including sensitivity analysis, directed relation graphs (DRG), and directed relation graphs with error propagation (DRGEP). Using this approach, the detailed JP-10 mechanism, consisting of 7,740 reactions and 320 species, was reduced to 257 reactions and 48 species. In this regard, ANSYS CHEMKIN was employed for mechanism reduction and combustion simulation. The combustion simulation results for JP-10 in a homogeneous reactor model were then compared using both the detailed and reduced mechanisms. The results exhibited a high level of agreement, with simulation errors below 10%. Furthermore, the results demonstrated that DRG and DRGEP methods are both fast and accurate in identifying less significant species in the mechanism, whereas the sensitivity analysis method is comparatively slower. Validation of the results with experimental data from other researchers confirmed that the model used in this study is highly accurate, making the proposed mechanism reliable for use in combustion simulations.Keywords: Mechanism Reduction, JP-10 Kinetics, Sensitivity Analysis, Directed Relation Graph, Directed Relation Graph Error Propagation
-
Pages 65-91This study examines the conceptual design and optimization of an air gas turbine combustion chamber. The combustion chamber under investigation is based on the CFM56-3 engine, with initial data sourced from Gasturb software and similar studies. The method for calculating the reference area and diameter is explored, and a systematic approach for selecting the optimal diameter is presented. Key aspects of combustion chamber design, including air distribution, diffuser, flame stabilizer, flame temperature, the number and size of holes in various sections, combustion efficiency, and pollutant emissions, are analyzed using chemical and semi-empirical methods. Next, the designs were coupled using the multi-objective optimization algorithm NSGA-II and MATLAB software. Optimizations in this study were performed for four simultaneous and conflicting goals: increasing combustion efficiency, reducing the length of the combustion chamber, and reducing carbon monoxide and NOx emissions. The results of this study showed that if multi-objective algorithms are used and performance constraints are appropriately applied to the combustion chamber of gas turbines, thermal performance can be improved by 1.5%, combustion chamber length by 7.8%, and average emissions by 64% compared to the original design.
.Keywords: Conceptual Design, Combustion Chamber, Air Gas Turbine, Pollution Prediction, Multidisciplinary Design Optimization -
Pages 92-114
The present study investigates the effect of oxygenated fuel additives on diesel engine performance. Publications aim to evaluate these additives not only from the point of view of performance but also by considering environmental factors through the lens of the extra-environmental method. This research evaluates diesel engine performance using conventional and oxygenated fuel blends, focusing on biodiesel, dimethyl carbonate (DMC), and diethylene glycol (DEG), including comparing fuel efficiency, emissions, and engine behavior with these additives. This study uses the exergoenvironmental method to understand environmental implications, integrating exergy analysis with environmental considerations. The results show that using these oxygen additives affects engine performance and greenhouse gas emissions. Adding biodiesel reduces greenhouse gas emissions, such as particulate matter and nitrogen oxides. At the same time, DMC and DEG also help reduce emissions but have different effects on engine efficiency. Environmental externality analysis provides a comprehensive perspective on these fuel additives' environmental costs and benefits. Overall, this study provides insights into how oxygenated fuel additives can affect diesel engine performance and emissions, emphasizing the importance of balancing performance with environmental impact. These findings contribute to the continued exploration of cleaner fuel alternatives in diesel engines, focusing on optimizing engine performance and environmental sustainability.
Keywords: Biodiesel, Bioenergy, Sustainable Production, Exergy, Fuel Additive