بررسي عملكرد مشعل با سوخت تركيبي گاز طبيعي – هيدروژن و تأثير ميزان هيدروژن بر عملكرد مشعل

چكيده :

هيدروژن عمده¬ترين گزينه مطرح به‌عنوان حامل جديد انرژي است. اين ماده در مقايسه با ساير سوخت¬ها مي¬تواند با راندماني بالاتر و احتراق بسيار پاك به ساير اشكال انرژي تبديل شود. اين عنصر به دليل استقلال از منابع اوليه انرژي، سيستمي دائمي، پايدار، فناناپذير، فراگير و تجديدپذير محسوب مي¬شود. فرايند احتراق، فرايند پيچيده‌اي است كه در آن گرما توسط محدودة گسترده‌اي از كوره‌هاي آتشين غيرمستقيم و مستقيم همرفت اجباري تأمين مي‌گردد. يكي از مهم‌ترين دغدغه‌هاي محققان كه در مورد طراحي سيستم‌هاي احتراق وجود داشته است، افزايش راندمان، آلودگي كمتر و اتلاف اگزرژي كمتر نسبت به كوره‌هاي قديمي است. در اين تحقيق، پس از بررسي مدل‌هاي مختلف تلاطم در يك كوره‌هاي صنعتي با كسرهاي مختلف هيدروژن به گاز طبيعي، شبيه‌سازي عددي جريان هواي داغ در يك مدل اجزاي محدود در انسيس فلوئنت شبيه‌سازي مي‌گردد تا توزيع دمايي حاصل گردد. مدل‌هاي CFD اجازة ارزيابي‌هاي عميق‌تري را بر روي ميدان جريان به كوره و دماي شعله انجام مي‌دهد. پس از حصول نتايج عددي، با استفاده از يك الگوريتم جستجوي تصادفي همچون روش الگوريتم ازدحام ذرات PSO، ابعاد هندسي كوره طوري بهينه‌سازي مي‌شود كه با ارتقاي بازده حرارتي كمترين ميزان افت فشار در جريان داخل كوره حاصل گردد. باتوجه‌به مطالعات پيشين مشاهده مي‌شود كه در هيچ يك از پژوهش‌ها، تحليل عددي مبتني بر اجراي عمليات بهينه‌سازي ابعادي كوره و كسر حجمي هيدروژن با گاز طبيعي موردتوجه قرار نگرفته است. لذا، در اين تحقيق روش‌شناسي هوشمندي براي بهينه‌سازي ابعادي هندسي كوره‌ پيشنهاد مي‌گردد كه علي‌رغم اختصاص داشتن به يك مدل خاص، قابل بسط به كلية كوره‌هاي صنعتي نيز خواهد بود. با وجود فرايند اختلاط بين سوخت و هوا در دريچة ورودي محفظة كوره، جدايش و توربولانس خطوط جريان در بخش‌هاي ابتدايي در كوره مشاهده نشده است. دماي شعله موجب افزايش مقادير كانتور دمايي در بخش‌هاي مياني - انتهايي محفظة كوره شده است، اين امر نشان از دشواري اختلاط بين سوخت و هوا در بخش‌هاي اولية محفظة كوره است. استفاده از كوره‌اي با كسر حجمي هيدروژن 6 درصدي نسبت به دو كسر حجمي 3 و 9 درصدي، افزايش راندمان خروجي كوره را نشان مي‌دهد. براي رسيدن به شرايط بهينه، افزايش كسر حجمي هيدروژن در كوره‌ بايد همراه با افزايش قطر ورودي و خروجي گاز هيدروژن به كوره باشد. زواياي منفي (بخش چپ كوره) داراي متوسط 4/7 درصد ضريب اصطكاك كمتري نسبت به زواياي مثبت بوده‌اند. از طرفي زاوية 60 درجه ضريب اصطكاك بيشتري نسبت به زواياي ديگر نشان مي‌دهد؛ بنابراين به نظر مي‌رسد در مبحث بهينه‌سازي، توابع هدف داراي روندهاي متضادي براي نيل به اهداف مطلوب مسئله (افزايش پارامترهاي انتقال حرارت و كاهش افت فشار گاز هيدروژن) خواهند داشت. افزايش فشار در مجراي ورودي موجب كاهش مقادير بهينة بازدهي محفظة كوره مي باشد. مناسب ترين نتيجه براي بازدهي محفظة احتراق، بازدهي 34/87 درصد و مرتبط به كسر حجمي 6 درصدي هيدروژن در كوره است. در همين شرايط، ضريب افت فشار استاتيكي در كوره به 343/0 مگاپاسكال رسيده است كه به اين ترتيب بهينه‌ترين ابعاد هندسي كوره‌ شبيه‌سازي شده، D_o=335 mm , D_i=526 mm است. در اين ابعادكوره، بازدهي حرارتي كوره بيشينه و افت فشار استاتيكي كمينه مي باشد و بنابر اين نقطه‌ي طراحي اپتيموم همين نقطه هدف خواهد بود.