سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

مطالعه تجربی اثر چرخش و رقیق سازی اکسیدکننده بر پایداری احتراق غیرپیش آمیخته گاز طبیعی

نویسندگان
امیر روحانی 1
صادق تابع جماعت 1
ایوب عادلی 2
1 دانشکده مهندسی هوافضا،دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران،ایران
2 تهران، خیابان ولیعصر، خیابان بزرگمهر، شماره 36، واحد 8، شرکت تولیدی مهندسی شعله صنعت
چکیده
در پژوهش حاضر، مطالعه تجربی پایداری شعله غیر پیش آمیخته گاز طبیعی با هوای چرخشی و رقیق ­سازی همزمان هوا با گاز نیتروژن بررسی شده است. برای تولید چرخش از پره­ های چرخاننده با زوایای 30 ، 45 و 60 درجه استفاده شده است. در طی آزمایش­ها با توجه به میزان چرخش اعمال شده به هوا، دو نوع رژیم احتراقی مشاهده شده است. در جریان با چرخش ضعیف، با افزایش سرعت سوخت، شعله از روی نازل بلند شده و در سرعت­های بالاتر دچار خاموشی می ­شود. در جریان با چرخش قوی، شعله در فاصله کمی از نازل سوخت بلند شده و بسیار پایدار است. هدف از این مطالعه، بررسی حدود پایداری شعله شامل سرعت و ارتفاع برخاستگی و نیز خاموشی شعله در محدوده گسترده­ ای از سرعت­های هوا و همچنین در شرایط رقیق­ سازی هواست. با اعمال چرخش بر هوای رقیق شده دیده می­ شود که چرخش، اثرات منفی رقیق­سازی هوا را کاهش داده و موجب افزایش پایداری شعله می­ شود.

تازه های تحقیق

نتایج به دست آمده در دو بخش جریان کم چرخش و جریان با چرخش زیاد قابل بررسی­اند. در بخش جریان کم چرخش، دیده شد که با ثابت نگه داشتن سرعت هوا و افزایش پیوسته جریان سوخت، شعله از روی نازل بلند شده و در سرعت­های بالاتر دچار خاموشی می­شود. همچنین با افزایش سرعت هوا، میزان سرعت برخاستگی و سرعت خاموشی افزایش می­یابد. تحقیقات گذشته نشان می­دهند که این افزایش پایداری به دلیل پدید آمدن ناحیه بازگردش گوشه­ای در جریان کم چرخش است. در بخش رقیق­سازی هوا با گاز نیتروژن دیده شد که رقیق­سازی حدود پایداری را کاهش می­دهد که این کاهش با افزیش درصد رقیق­سازی بیشتر شده ولی چرخش دادن هوای احتراق، اثر منفی رقیق­سازی در پایداری شعله را کاهش می­دهد. در بخش جریان­های با چرخش بالا، دیده شد که با ثابت نگه داشتن سرعت هوا و افزایش سرعت سوخت، شعله ابتدا در یک سرعت به خصوص از روی نازل سوخت بلند شده و در فاصله کمی از نازل قرار می­گیرد. افزایش بیشتر سرعت سوخت موجب افزایش ارتفاع برخاستگی شعله شده و در نهایت با افزایش پیوسته سرعت سوخت، شعله دچار خاموشی می­شود. همان­طور که قبلا نیز ذکر شد، با توجه به محدودیت فشار گاز آزمایشگاه، قادر به مشاهده خاموشی شعله در حالت هوای با چرخش بالا نبودیم و تنها برخاستگی شعله مشاهده شده است. رقیق­سازی هوا باعث کاهش سرعت برخاستگی و افزایش ارتفاع برخاستگی می­شود. افزایش درصد رقیق­سازی هوا و ثابت نگه داشتن سایر شرایط، کاهش سرعت برخاستگی و افزایش ارتفاع برخاستگی را شدت می­بخشد. در این تحقیق، بیشترین ارتفاع برخاستگی و کمترین سرعت برخاستگی در رقیق­سازی هوا با 10 درصد نیتروژن به دست آمد. بنابراین با استفاده از چرخش هوا می­توان اثرات منفی رقیق­سازی هوا را بر پایداری شعله کاهش داده و از هوای چرخشی همزمان با رقیق­سازی هوا در طراحی سیستم­های احتراقی استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها
احتراق چرخشی
شعله غیر پیش آمیخته
رقیق­ سازی
گاز طبیعی

عنوان مقاله English

An Experimental Study of the Effects of Swirl and Air Dilution on NG Non-Premixed Flame Stability

نویسندگان English

Amir Rowhani 1
Sadegh Tabejamaat 1
Ayob Adeli 2
1 Faculty of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
2 Unit 8, No. 36, Bozorgmehr St., Valiasr Ave., Tehran, Iran
چکیده English

In this work, an experimental investigation of stability limits of natural city gas (NG) in a non-premixed swirling burner has been conducted. Air swirl motion is imparted through 30º, 45º and 60º vane swirlers to produce low and high swirling air streams. Air dilution with nitrogen (N2) was also performed because of the importance of dilution in practical applications. N2 was added to the swirling air to examine the stability limits under diluted air conditions. The purpose of this study is to examine the stability limits including lift and blow-out velocity in low swirl conditions and liftoff height as well as liftoff velocity in high swirl conditions. It was observed that swirl increased the stability limits of NG while it decreased the negative effects of dilution on flame stability.

کلیدواژه‌ها English

swirl combustion
non-premixed flame
dilution
NG
1-   Beer, J. M., and Chigier, N. A., “Combustion Aerodynamics,” Applied Science Publishers Ltd, 1972.
2-   Gupta, A. K., Lilley, D. G., and Syred, N., “Swirl Flows,” Abacus Press, Cambridge, 1984.
3-   Feikema, D., Chen, R. H., and Driscoll, J. F., “Enhancement of Blowout Limits by the Use of Swirl,” Combustion and Flame, 80, pp. 183-195, 1990.
4-   Kerr, N. M., “Swirl Effect on Flame Performance and The Modelling of the Swirling Flames,” Journal of the Institute of Fuel, 39, pp. 527-538, 1965.
5-   Mathur, M. L., and Maccallum, N. R. L., “Swirling Air Tests Issuing from Vane Swirlers,” Journal of Institute of Fuel, 41, pp. 238-240, 1976.
6-   Yuasa, S., “Effects of Swirl on Stability of Jet Diffusion Flames,” Combustion and Flame, 66, pp. 181-192, 1986.
7-   Buckley, P. L., Craig, R. R., Davis, D. L., and Schartzkopf, K. G., “The Design and Combustion Performance of Practical Swirlers for Integral Rocket/Ramjet,” AIAA, 21, NO. 5, pp. 740-743, 1983.
8-   Ruan, J., Kobayashi, H., and Niioka, T., “Effects of Dilutions on Structure and Stability of Axisymmetric Lifted Laminar Diffusion Flames,” 3rd Asia-Pacific Conference on Combustion (ASPACC), 2001.
9-   Chao, Y. C., Wu, C. Y., and Lee. k. Y., “Effects of Dilution on Blow-Out Limits of Turbulent Jet Flames,” Combustion Science and Technology, 176, pp. 1735-1753, 2004.
10- D. A. Vilson, and K. M. Lyons, “Effects of Dilution and Co-Flow on the Stability of Lifted Non-Premixed Biogas-Liked Flames,” Fuel, 87, pp. 405-413, 2007
11- Takeno, T., “Transition and Structure of Jet Diffusion Flames,” Twenty Fifth Symposium (International) on Combustion, pp.1061-1073, 1992.