سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

مطالعه­ تجربی پایداری شعله­ غیر پیش آمیخته و آشفته گاز طبیعی و پروپان در شرایط رقیق سازی

نویسندگان
بابک کشیر
صادق تابع جماعت
دانشکده مهندسی هوافضا،دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
چکیده
در پژوهش حاضر به مطالعه­ تجربی پایداری شعله­ غیر پیش آمیخته و آشفته پروپان و گاز طبیعی همراه با جریان اکسیدکننده هممحور پرداخته شده است. اثر سرعت جریان­های سوخت و اکسیدکننده و رقیق سازی جریان اکسیدکننده مطالعه شده و دو نوع حد پایداری مشاهده شده است. برخاستگی شعله از روی نازل سوخت اولین حد پایداری است. دومین حد، خاموشی قسمت آشفته شعله در نقطه گذار از جریان آرام به آشفته است.در طی انجام آزمایش­ها، جریان­های سوخت و اکسیدکننده در دمای محیط (25ºC) هستند. در طی فرایند رقیق سازی، اکسیدکننده اکسیژن با گازهای نیتروژن یا دی اکسیدکربن رقیق می­ شود و در سایر آزمایش­ها از هوای محیط به عنوان اکسیدکننده استفاده شده است.

تازه های تحقیق

در این تحقیق به مطالعه­ی تجربی بر روی ساختار شعله­ی پس اختلاط گذرا و آشفته گاز طبیعی و پروپان پرداخته شده و نتایج زیر به دست آمده است.

1- با افزایش عدد رینولدز سوخت، در امتداد شعله­ی آرام نقطه­ای پدیدار می­شود که با گسترش ناگهانی منطقه­ی واکنش همراه است و آشفتگی­ها بر روی مرز شعله پس از این نقطه پدیدار می­شوند. این نقطه را نقطه­ی گذار می­نامیم. افزایش بیشتر عدد رینولدز سوخت سبب می­شود تا نقطه گذار به خروجی نازل سوخت نزدیک­تر شود. سرانجام با رسیدن جریان داخل نازل سوخت به وضعیت آشفته کاملا توسعه یافته، مکان نقطه گذار تغییر نمی­کند. این روند تغییر مکان نقطه گذار نسبت به عدد رینولدز جریان سوخت و عدم تغییر مکان محسوس آن بعد از ورود جریان سوخت داخل انژکتور به وضعیت آشفته کاملا توسعه یافته، توسط محققان دیگر و برای سوخت هیدروژن گزارش شده است]3[.

2- بسته به عدد رینولدز جت سوخت، دو حد پایداری دیده می­شود. اولین مورد برخاستگی شعله از روی نازل سوخت است. دومین مورد خاموشی قسمت آشفته شعله در نقطه گذار از جریان آرام به آشفته است که یک شعله­ی کوچک بلافاصله در پایین دست نازل سوخت باقی می­گذارد.

3- در صورت به کارگیری سازوکارهای پایدار کننده­ی شعله (در این پژوهش افزایش غلظت اکسیژن در منطقه واکنش)  پدیده­ی برخاستگی در شعله مشاهده نمی­شود و یا به تاخیر می­افتد.

4- در آزمایش­های با اکسیدکننده­ی اکسیژن و برای دو درصد رقیق سازی (40و60) با افزایش عدد رینولدز جت سوخت و ثابت شدن مکان نقطه­ی گذار، طول گذار بی بعد برای هر دو درصد رقیق سازی مقدار تقریبا یکسانی پیدا می­کند.

5- استفاده از سوخت پروپان به جای گاز طبیعی سبب می­شود تا ظهور نقطه­ی گذار و ورود به حالت آشفته در اعداد رینولدز سوخت بالاتری رخ دهد، زیرا احتراق پروپان در قیاس با احتراق گاز طبیعی نرخ آزاد شدن گرمای بیش­تری دارد که سبب مستهلک شدن بیشتر گردابه ها می­شود و جریان را بیش­تر آرام می­کند.

 

کلیدواژه‌ها
مطالعه­ تجربی
پایداری
شعله­ غیر پیش آمیخته و آشفته
رقیق سازی

عنوان مقاله English

An Experimental Study of the Stability of City Gas and Propane Turbulent Non-Premixed Flames under Diluting Conditions

نویسندگان English

Babak Kashir
Sadegh Tabejamaat
Faculty of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

The stability behavior of jet non-premixed flame developing in a coflowing stream is studied experimentally, using city gas and propane as fuel gases. Effects of oxidant and fuel stream velocities and oxidant stream dilution have been studied. Two types of stability limits are observed. Blow-off of the rim-stabilized flame is the first stability limit. The second is the break-off or extinction of the turbulent portion of the flame at the transition point from laminar to turbulent flow. Oxidant and fuel streams are in environmental temperature. In dilution experiments, oxidant primary stream is oxygen as diluted with nitrogen or carbon dioxide. In the other experiments, oxidant is environmental air.

کلیدواژه‌ها English

Experimental study
Stability
Turbulent non-premixed flame
Diluting
1.     Takeno, T., and Kotani, Y., “An Experimental Study on the Stability of Jet Diffusion Flame,” Acta Astronautica, 2, pp. 999-1008, 1975.
2.     Takeno, T., and Kotani, Y., “A Study on the Structure of Turbulent Jet Diffusion Flames,” Comb. Sci. Tech., 10, pp. 45-57, 1975.
3.     Takeno, T., “Transition and Structure of Jet Diffusion Flames,” Twenty Fifth Symposium (International) on Combustion, pp. 1061-1073, 1992.
4.     Takeno, T., and Kotani, Y., “Comments on Structure of Turbulent Jet Diffusion Flame,” Acta Astronautica, 6, pp. 1009-1010, 1979.
5.     Takeno, T., and Kotani, Y., “An Experimental Study on Stability and Combustion Characteristics of an Excess Enthalpy Flame,” Nineteenth Symposium (International) on Combustion, pp. 1503- 11509, 1982.
6.     Wu, C. H., Chao, Y. C., Cheng, T. S., Li, Y. H., Lee, K. Y., and Yuan, T., “The Blowout Mechanism of Turbulent Jet Diffusion Flames,” Combustion and Flame, 145, pp. 481-494, 2006.
7.     Idicheria, C. A., Boxx, I. G., and Clements, N. T., “Characteristics of Turbulent Non-Premixed Jet Flames under Normal- and Low-Gravity Conditions,” Combustion and Flame, 138, pp. 384-400, 2004.
8.     Pires, A. C., Heitor, M. V., “Experimental Characterization of Non-Premixed Turbulent Jet Propane Flames,” Experimental Thermal and Fluid Science, 32, pp. 115-132, 2000.
9.     Muniz, L., and Mungal, M. G., “Effects of Heat Release and Buoyancy on Flow Structure and Entrainment in Turbulent Nonpremixed Flames,” Combustion and Flame, 126, pp. 1402-1420, 2001.
10.  Yamashita, H., Shimada, M., and Takeno, T., “A Numerical Study on Flame Stability at the Transition Point of Jet Diffusion Flames,” Twenty Sixth Symposium (International) on Combustion, pp. 27-34, 1996.
11.  Mizobuchi, Y., Tachibana, S., Shinio, J., Ogawa, S., and Takeno, T., “A Numerical Analysis of the Structure of a Turbulent Hydrogen Jet Lifted Flame,” Proceedings of the Combustion Institute, 29, pp. 2009-2015, 2002.
12.  Ruan, J., Kobayashi, H., and Niioka, T., “Effects of Diluents on Structure and Stability of Axisymmetric Lifted Laminar Diffusion Flames,” 3rd Asia-Pacific Conference on Combustion (ASPACC), 2001.
13.  Sullivan, N., Jensen, A., Glarborg, P., and Pope, C. J., “Ammonia Conversion and NOx Formation in Laminar Coflowing Nonpremixed Methane-Air Flames,” Combustion and Flame, 131, pp. 285-295, 2002.
14.  Kumar, P., and Mishra, D. P., “Experimental Investigating of Laminar LPG-H2 Jet Diffusion Flame,” International Journal of Hydrogen Energy, 33, pp. 225-231, 2008.
15.  Scholefield, D. A., and Garside, J. E., Third Symposium (International) on Combustion, pp. 102-110, 1953.
16.  Gaydon, A. G., and Wolfhard , H. G., Flames, Their Structure, Radiation and Temperature, Third Edition, Chapman & Hall, 1970.
17.  Kuo, K. K., Principles of Combustion, John Wiley & Sons, 1986.
18.  Tsuji, H., and Yamaoka, I., “The Counterflow Diffusion Flame in the Forward Stagnation Region of a Porous Cylinder,” Eleventh Symposium (international) on Combustion, pp. 979-984, 1967.