شبیه سازی عددی و بررسی آزمایشگاهی مشعل پیش مخلوط استوانه ای و سیستم مخلوط کننده برای بهره برداری در دیگ چگالشی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی مکانیک

2 دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

در این مقاله، به شبیه ­سازی عددی و مطالعه تجربی مشعل پیش­مخلوط استوانه‌ای و سیستم مخلوط­ کننده ‌آن پرداخته شده ­است. این مشعل‌ها در پکیج‌های­ چگالشی مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این تحقیق، به بررسی کارکردی مشعل و مخلوط­ کننده در توان 11 کیلووات پرداخته شد­ه است. همچنین، از سینتیک دومرحله­ای متان-هوا برای شبیه­ سازی استفاده شده­ است. از خصوصیات این نوع مشعل‌ها می‌توان به طول کوتاه شعله، تشعشع بالا و آلایندگی کم اشاره کرد. تست­ های تجربی روی مشعل برای اندازه ­گیری دمای شعله و دمای سطح انجام شده است. همچنین، برای اعتبارسنجی نتایج شبیه ­سازی از آن استفاده شده است. نتایج به ­دست­ آمده از شبیه‌سازی با نتایج تجربی مطابقت قابل قبولی داشته و اختلاف نتایج عددی با نتایج تجربی دمای شعله در بیشترین حالت حدود 14 درصد است. نتایج تحقیقات نشان می‌دهد که با افزایش نسبت هم ­ارزی تا نسبت استوکیومتریک بیشینه دمای شعله و میزان آلایندگی NOx افزایش پیدا کرده است. همچنین، در فاصله تا 5/2 سانتی­متری اطراف مشعل، تشعشع مکانیزم غالب در انتقال حرارت این مشعل‌ است. محدوده نسبت هم ­ارزی 75/0 تا 85/0، با توجه به محدودیت دمای مورد نیاز در مشعل و نیز تولید آلاینده، به­ عنوان بازه­ کارکردی مشعل انتخاب شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Numerical simulation and experimental investigation of a premixed cylindrical burner with gas mixing system using in condensing boiler

نویسندگان [English]

  • Saeed Habibirad 1
  • Hadi Pasdarshahri 2
1 Faculty of Mechanical Engineering/ Tarbiat Modares University
2 Faculty of Mechanical Engineering/ Tarbiat Modares University
چکیده [English]

This paper focuses on a numerical simulation and experimental investigation of premixed cylindrical burner with gas mixing system. These burners are used in condensing boiler. Performance assessment of the burner and mixer at a power of 11 kW is the main purpose of this paper; also, the two-stage methane-air mechanism have been employed for combustion kinetic. Moreover, Short length of flame, high radiation and low emissions are among the most important and notable characteristics of these types of burners. To measure flame and burner surface temperature experimental tests have been conducted. Moreover, simulation results have been validated by experimental findings. Obtained results are in good agreement with experimental findings. In addition, maximum 14% difference have been found between experimental and numerical results. Results indicated that by increasing the equivalence to the stoichiometric ratio, maximum flame temperature and NOx emissions has been increased. Moreover, in this type of burners radiation is the dominant heat transfer mechanism at below 2.5 cm around the burner. The equivalence ratio at the range of 0.75 to 0.85 has been selected as the operating condition of the burner according to the temperature limitation and pollutant production in burner.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Premixed cylindrical burner
  • Mixer
  • Equivalence ratio
  • Emission
  • numerical simulation

 

  1. C.E. Lee, B. Yu and S. Lee, “An analysis of the thermodynamic efficiency for exhaust gas recirculation-condensed water recirculation-waste heat recovery condensing boilers (EGR-CWR-WHR CB),” Energy, 86, 2015, pp. 267–275.
  2. S. Lee, S. M. Kum and C. E. Lee, “An experimental study of a cylindrical multi-hole premixed burner for the development of a condensing gas boiler,” Energy, 36, No. 7, 2011, pp. 4150–4157.
  3. S. Lee, S. M. Kum and C. E. Lee, “Performances of a heat exchanger and pilot boiler for the development of a condensing gas boiler,” Energy, 36, No. 7, 2011, pp. 3945–3951.
  4. B. Yu, S. M. Kum, C. E. Lee and S. Lee, “Combustion characteristics and thermal efficiency for premixed porous-media types of burners,” Energy, 53, 2013, pp. 343–350.
  5. J. B. Bell, M. S. Day and J. F. Grcar, “Numerical simulation of premixed turbulent methane combustion,” Proc. Combust. Inst., 29, No. 2, 2002, pp. 1987–1993.
  6. K. Qiu and A. C. S. Hayden, “Premixed gas combustion stabilized in fiber felt and its application to a novel radiant burner,” Fuel, 85, No. 7–8, 2006, pp. 1094–1100.
  7. L. Anetor, E. Osakue and C. Odetunde, “Reduced mechanism approach of modeling premixed propane-air mixture using ansys fluent,” Eng. J., 16, No. 1, 2012, pp. 67–86.
  8. H. Oryani, S. Khalilarya, S. Jafarmadar, H. Khatamnezhad and S. Majidyfar, “Numerical Investigation of Influence of Dilution in Air and Fuel Sides on MILD Combustion Burner,” Aust. J. Basic Appl. Sci., 5, No. 10, 2011, pp. 272–279.
  9. P. H. LEE and S. S. HWANG, “Formation of Lean Premixed Surface Flame Using Porous Baffle Plate and Flame Holder,” J. Therm. Sci. Technol., 8, No. 1, 2013, pp. 178–189.
  10. F. G. Liu, X. Y. You, Q. Wang and R. Zhang, “On optimal design and experimental validation of household appliance burner of low pollutant emission,” Energy Convers. Manag., 76, 2013, pp. 837–845.
  11. D. F. Zhao, F. G. Liu, X. Y. You, R. Zhang, B. L. Zhang and G. L. He, “Optimization of a premixed cylindrical burner for low pollutant emission,” Energy Convers. Manag., 99, No. x, 2015, pp. 151–160.
  12. Ansys Fluent Theory Guide, Canonsburg, Pennsylvania, p. in: Eds., 144, 183, 2016. 2012.
  13. S. R. Turns and S. J. Mantel, An Introduction to Combustion, Second Edition, New York, McGraw Hill, 2000.
  14. M. Najarnikoo, Experimental Study Premix Flat Flame Burner Use in Condensing Boilers, MSc Thesis, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, 2018. (In Persian)