سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

مطالعه عددی بکارگیری استفاده از ساختار ماژولار در میکرومحفظه U شکل بر مشخصه‌های احتراقی مخلوط پیش‌آمیخته هیدروژن-هوا به منظور استفاده در یک سیستم میکروترموفتوولتاییک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
حامد محمدی 1
علیرضا علی پور 2
1 دانشجوی دانشگاه شیراز
2 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز
10.22034/jfnc.2025.490472.1416
چکیده
یکی از روش‌های مؤثر در افزایش حد شعله‌وری در میکرو محفظه‌های احتراقی استفاده از ساختار ماژولار و به‌کارگیری آن برای ایجاد توان‌های مختلف است. در پژوهش حاضر از هندسه‌های مختلفی مانند تک لوله مستقیم، تک لوله U شکل و ساختار ماژولار دو لوله‌ای U شکل استفاده می‌شود. در این پژوهش، اثر تغییر سرعت جریان ورودی، نسبت هم‌ارزی و ضریب رسانش حرارتی بر مشخصه‌های احتراقی مخلوط پیش‌آمیخته هیدروژن-هوا بررسی می‌شود. نتایج نشان‌می‌دهد که استفاده از تک لوله U شکل و ساختار ماژولار لوله‌های دوتایی U شکل، حد شعله‌وری به‌ازای سرعت‌های ورودی، به‌ترتیب افزایشی 27% و 54% را نسبت به تک لوله مستقیم تجربه می‌کند. نتایج نشان‌می‌دهد، استفاده از ساختار ماژولار باعث کاهش کشیدگی شعله و فاصله جبهه شعله نسبت به ورودی می‌شود که این پدیده باعث بهبود پایداری شعله می‌شود. مقایسه هندسه‌های مختلف نشان‌می‌دهد، بازده حرارتی کل تک لوله U شکل، بیشتر از سایر حالت‌ها است و کمترین بازده حرارتی کل نیز مربوط به تک لوله مستقیم است. همچنین نتایج نشان‌می‌دهد، برای محفظه‌های احتراق شامل تک لوله مستقیم، تک لوله U شکل و دو لوله U شکل بیشترین بازده حرارتی کل در نسبت هم‌ارزی 8/0 رخ داده است و با افزایش آن، بازده حرارتی کل کاهش می‌یابد. بررسی اثر ضریب رسانش حرارتی نشان‌می‌دهد، افزایش این ضریب باعث افزایش بازده حرارتی کل در تمامی هندسه‌ها می‌شود به‌نحوی که بیشترین بازده مربوط به استفاده از استیل با ضریب رسانش حرارتی W/m.K  12/36 است.
 

تازه های تحقیق

این پژوهش به بررسی عددی مشخصه‌های احتراقی شعله حاصل از مخلوط پیش‌آمیخته هیدروژن-هوا در لوله مستقیم، تک لوله U شکل و لوله‌های دوتایی U شکل پرداخته‌است. پارامترهای مورد بررسی شامل سرعت جریان ورودی، نسبت هم‌ارزی و ضریب رسانش حرارتی بوده است. نتایج به‌دست آمده به‌صورت خلاصه به شرح زیر است.

  • افزایش سرعت جریان ورودی تأثیر چشمگیری بر مکان شعله و شکل آن دارد به‌گونه‌ای که با افزایش سرعت جریان ورودی، مکان جبهه شعله به‌سمت پایین‌دست جریان حرکت می‌کند و کشیدگی شعله نیز به‌واسطه افزایش تنش برشی، افزایش پیدا کرده است.
  • افزایش نسبت هم‌ارزی و ضریب رسانش حرارتی باعث حرکت مکان جبهه شعله به‌سمت بالادست جریان می‌شود. زیرا با افزایش نسبت هم‌ارزی، سوخت بیشتری وارد محفظه شده و مقدار دمای بیشینه شعله افزایش می‌یابد و این افزایش دمای شعله باعث افزایش سرعت سوزش شعله می‌شود. افزایش ضریب رسانش حرارتی نیز باعث انتقال حرارت بیشتر به سیال ورودی شده و با افزایش انتالپی سیال ورودی، مقدار بیشینه دمای شعله را افزایش می‌دهد. با افزایش نسبت هم‌ارزی و ضریب رسانش حرارتی، کشیدگی شعله به‌علت افزایش سرعت سوزش شعله، کاهش یافته‌است.
  • بررسی ساختارهای متفاوت نشان داد، هندسه استفاده شده در محفظه احتراق میکرو تأثیر زیادی بر حد شعله‌وری دارد. به‌نحوی که در زمان استفاده از لوله مستقیم، شعله در سرعت جریان ورودی m/s 12 دچار خاموشی شده است، درحالی‌که این مقدار برای تک لوله U شکل و لوله‌های دوتایی U شکل به‌ترتیب برابر m/s 15 و m/s 18 بوده است. همچنین مشخص شد در زمان استفاده از مواد با ضریب رسانش پایین، شعله در لوله مستقیم خاموش می‌شود، اما در زمان استفاده از تک لوله U شکل و لوله‌های U شکل دوتایی پایدار مانده‌است.
  • نتایج نشان داد اگرچه استفاده از ساختار ماژولار دوتایی باعث پایداری بهتر شعله می‌شود، اما از نظر بازده حرارتی کل عملکرد ضعیفی داشته است. زیرا با وجود آزاد شدن انرژی حرارتی بیشتر در حین واکنش، انرژی تشعشعی منتشر شده از دیواره محفظه احتراق افزایش قابل‌توجهی را تجربه نکرده‌است. برای سرعت‌های جریان ورودی m/s 4 و m/s 8 بازده حرارتی کل در تک لوله مستقیم به‌ترتیب برابر 83/11 و 76/6 درصد است، درحالی‌که برای ساختار ماژولار لوله‌های دوتایی مقادیر بیان شده به‌ترتیب برابر 63/9 و 21/5 درصد است.
  • قابل‌ذکر است که مقالات مرتبط با بررسی پایداری شعله در لوله U محدود است و یکی از کارهای انجام شده در این زمینه مربوط به پژوهش علی‌پور و سعیدی ]13] است. به‌طوری که در این مقاله اشاره شده است که با افزایش سرعت جریان ورودی، جبهه شعله به‌سمت پایین‌دست جریان حرکت می‌کند، که نتایج مشابه مقاله در پژوهش حاضر نیز به‌دست آمد. همچنین آن‌ها نشان دادند، با استفاده از ساختار ماژولار می‌توان عمل پیش‌گرمایش را بهبود داد. در پژوهش حاضر نیز نشان داده شد استفاده از ساختار ماژولار، به‌خصوص در زمانی‌که ضریب رسانش حرارتی پایین است، می‌تواند با انجام عمل پیش‌گرمایش و افزایش انتالپی سیال ورودی، باعث حرکت جبهه شعله به‌سمت بالادست جریان و در نتیجه افزایش پایداری شعله شود. به‌عنوان مثال، فاصله جبهه شعله نسبت به ورودی برای محفظه احتراق شامل تک لوله U شکل برابر mm 35/8 است، درحالی‌که این مقدار در زمان استفاده از ساختار ماژولار دوتایی، به mm 5 کاهش یافته ‌است.

 

 

کلیدواژه‌ها
هیدروژن
حد شعله‌وری
بازده تشعشعی
میکروترموفتوولتاییک

موضوعات

عنوان مقاله English

Numerical Investigation of Modular Structures in a U-Shaped Micro-Combustor on Combustion Characteristics of Hydrogen-Air Premixed Mixtures for Micro thermophotovoltaic Applications

نویسندگان English

Hamed Mohammadi 1
Alireza Alipoor 2
1 Student of Shiraz University
2 Department of Mechanical Engineering, Shiraz University,, Shiraz, Iran
چکیده English

Enhancing the flammability limit in micro-combustors can be effectively achieved through the implementation of modular structures, facilitating their application across varying power outputs. This study examines the performance of different geometries, including a single straight tube, a single U-shaped tube, and a modular double U-shaped tube configuration. The effects of inlet flow velocity, equivalence ratio, and thermal conductivity coefficient on the combustion characteristics of a hydrogen-air premixed mixture are investigated. The results demonstrate that the use of single U-shaped tubes and modular double U-shaped tube configurations increases the flammability limit for inlet velocities by 27% and 54%, respectively, compared to single straight tubes. Additionally, the modular structure reduces flame stretch and the flame front distance from the inlet, enhancing flame stability. A comparison of geometries reveals that the single U-shaped tube achieves the highest total thermal efficiency, whereas the single straight tube exhibits the lowest. Furthermore, for the straight tube, single U-shaped tube, and dual U-shaped tubes the highest total thermal efficiency is observed at an equivalence ratio of 0.8, beyond which efficiency decreases. Analysis of the thermal conductivity coefficient indicates that increasing this parameter enhances total thermal efficiency across all geometries, with the highest efficiency achieved using steel with a thermal conductivity coefficient of 12.63 W/m·K.

کلیدواژه‌ها English

Hydrogen
Flammability Limit
Radiation Efficiency
Micro thermophotovoltaics
[1] J. Li, S. K. Chou, W. M. Yang, and Z. W. Li, ‘Experimental and numerical study of the wall temperature of cylindrical micro combustors’, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 19, no. 1, 2009, doi: 10.1088/0960-1317/19/1/015019.
[2]  J. Zarvandi, S. Tabejamaat, and M. Baigmohammadi, ‘Numerical study of the effects of heat transfer methods on CH4/(CH4 + H2)-AIR pre-mixed flames in a micro-stepped tube’, Energy, vol. 44, no. 1, pp. 396–409, 2012, doi: 10.1016/j.energy.2012.06.015.
[3]  S. Akhtar, J. C. Kurnia, and T. Shamim, ‘A three-dimensional computational model of H2-air premixed combustion in non-circular micro-channels for a thermo-photovoltaic (TPV) application’, Appl Energy, vol. 152, pp. 47–57, Aug. 2015, doi: 10.1016/j.apenergy.2015.04.068.
[4]  Jiaqiang, E., Liu, H., Zhao, X., Han, D., Peng, Q., Zuo, W., ... & Qiu, R. (2018). Investigation on the combustion performance enhancement of the premixed methane/air in a two-step micro combustor. Applied Thermal Engineering, 141, 114-125.
[5]  Z. Zhang, K. Wu, W. Yao, R. Yuen, and J. Wang, ‘Enhancement of combustion performance in a microchannel: Synergistic effects of bluff-body and cavity’, Fuel, vol. 265, Apr. 2020, doi: 10.1016/j.fuel.2019.116940.
[6]  A. Fan, J. Wan, K. Maruta, H. Yao, and W. Liu, ‘Interactions between heat transfer, flow field and flame stabilization in a micro-combustor with a bluff body’, Int J Heat Mass Transf, vol. 66, pp. 72–79, 2013, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.07.024.
[7]  A. Fan, J. Wan, Y. Liu, B. Pi, H. Yao, and W. Liu, ‘Effect of bluff body shape on the blow-off limit of hydrogen/air flame in a planar micro-combustor’, Appl Therm Eng, vol. 62, no. 1, pp. 13–19, 2014, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2013.09.010.
[8]  M. Ansari and E. Amani, ‘Micro-combustor performance enhancement using a novel combined baffle-bluff configuration’, Chem Eng Sci, vol. 175, pp. 243–256, 2018, doi: 10.1016/j.ces.2017.10.001.
[9]  T. Cai, Y. Sun, and D. Zhao, ‘Enhancing heat transfer performance analyses of a hydrogen-fueled meso-combustor with staggered bluff-bodies’, Fuel Processing Technology, vol. 218, Jul. 2021, doi: 10.1016/j.fuproc.2021.106867.
[10]   K. A. S. Raghavan, S. S. Rao, and V. R. K. Raju, ‘Numerical investigation of the effect of slit-width on the combustion characteristics of a micro-combustor with a centrally slotted bluff body’, Int J Hydrogen Energy, vol. 48, no. 14, pp. 5696–5707, Feb. 2023, doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.11.064.
[11]   K. H. Lee and O. C. Kwon, ‘Studies on a heat-recirculating microemitter for a micro thermophotovoltaic system’, Combust Flame, vol. 153, no. 1–2, pp. 161–172, Apr. 2008, doi: 10.1016/j.combustflame.2008.01.003.
[12]   G. Bagheri and S. E. Hosseini, ‘Impacts of inner/outer reactor heat recirculation on the characteristic of micro-scale combustion system’, Energy Convers Manag, vol. 105, pp. 45–53, Aug. 2015, doi: 10.1016/j.enconman.2015.07.056.
[13]   A. Alipoor and M. H. Saidi, ‘Numerical study of hydrogen-air combustion characteristics in a novel micro-thermophotovoltaic power generator’, Appl Energy, vol. 199, pp. 382–399, 2017, doi: 10.1016/j.apenergy.2017.05.027.
[14]   A. Tang, T. Cai, J. Deng, Y. Xu, and J. Pan, ‘Experimental investigation on combustion characteristics of premixed propane/air in a micro-planar heat recirculation combustor’, Energy Convers Manag, vol. 152, pp. 65–71, Nov. 2017, doi: 10.1016/j.enconman.2017.09.011.
[15]   J. Chen, W. Song, and D. Xu, ‘Thermal management in catalytic heat-recirculating micro-combustors: A computational fluid dynamics study’, Appl Therm Eng, vol. 160, Sep. 2019, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2019.114073.
[16]   J. Chen and Z. Pang, ‘Catalytically stabilized combustion characteristics of methane-air mixtures in micro-scale heat-recirculating systems’, Fuel, vol. 306, Dec. 2021, doi: 10.1016/j.fuel.2021.121693.
[17] Abbaspour, P., & Alipoor, A. (2024). Numerical study of wavy-wall effects on premixed H2/air flammability limits, propagation modes, and thermal performance of micro combustion chambers. Applied Energy, 359, 122727.
[18] Burke, M. P., Chaos, M., Ju, Y., Dryer, F. L., & Klippenstein, S. J. (2012). Comprehensive H2/O2 kinetic model for high‐pressure combustion. International Journal of Chemical Kinetics, 44(7), 444-474.
[19]    Peng, Q., Wu, Y., Jiaqiang, E., Yang, W., Xu, H., & Li, Z. (2019). Combustion characteristics and thermal performance of premixed hydrogen-air in a two-rearward-step micro tube. Applied Energy, 242, 424-438.