مدلسازي گازسازي اسپري سوختهاي سنگين نفتي

دكتري

در اين رساله، گازسازي اسپري سوخت سنگين نفتي (مازوت) مورد مطالعه قرار گرفته است. با توجه به اهميت كيفيت اسپري در فرايندهاي احتراقي يا گازسازي، ابتدا به بررسي اسپري مازوت پرداخته شده است. اسپري سوخت سنگين در ابتدا به صورت تجربي مطالعه شد و در اين مسير شناخت بهتري از ويژگي‌هاي سوخت سنگين حاصل شد. براي انجام آزمايش‌ها انژكتوري مناسب براي يك گازساز تحقيقاتي طراحي شد و مورد آزمايش قرار گرفت. آزمايش‌ها در جهت شناخت عوامل موثر و چگونگي تاثير هر عامل بر مشخصات اسپري انجام شد. از جمله‌ي اين عوامل مي‌توان به تغييرات لزجت، كشش سطحي و چگالي سيال وابسته به دما و فشار تزريق اشاره كرد. از مهم‌ترين مشخصات اسپري مي‌توان طول شكست، زاويه‌ي اسپري، طول‌موج ناپايدار و توزيع قطر قطرات را نام برد. لزجت بسيار بالاي مازوت در دماهاي كم، اتميزاسيون را بسيار دشوار كرده و اهميت اسپري را افزايش مي‌دهد. نتايج نشان مي‌دهد كه SMD به تغييرات دمايي حساس‌تر از تغييرات فشار بوده و با افزايش دما از °C100T= به °C110T= كاهش چشمگيري در SMD مشاهده مي‌شود. اسپري مازوت همچنين مورد مطالعه‌ي عددي قرار گرفت. آزمايش‌هاي تجربي بروي انژكتور فشاري-پيچشي براي اعتبار سنجي مطالعه‌ي عددي در فشارهاي تزريق مختلف استفاده شد. مطالعه‌ي عددي با استفاده از كد Gerris انجام شد. براي كمك به بهبود ويژگي‌هاي اسپري سوخت سنگين، ايده‌اي براي ساخت يك انژكتور جديد با تركيب انژكتور فشاري-پيچشي و انژكتور ضربه‌اي آلتراسونيك مطرح شد. شبيه‌سازي عددي نشان داد كه با استفاده از يك انژكتور فشاري-پيچشي ضربه‌اي و ايجاد پالس‌هايي با فركانس kHz 40 مي‌توان به ميزان 78 درصد طول شكست و 17 درصد SMD را، در مقايسه با حالت بدون پالس كاهش داد. استفاده از انژكتورهاي فشاري-پيچشي ضربه‌اي در حالي منجر به كاهش قطر ميانگين قطرات مي‌شود كه بر خلاف انژكتورهاي هوا-كمك نسبت هوا به سوخت را تغيير نمي‌دهد. بنابراين استفاده از اين نوع انژكتور مي‌توان در گازسازهاي جريان حامل كه نياز بسيار به كنترل اين نسبت مي‌باشد، عملكرد بسيار مناسبي را از خود نشان دهد. آزمايش‌هاي آزمايشگاهي يا شبيه‌سازي اسپري منجر به تعيين توزيع قطر قطرات مي‌شود كه به صورت توابع توزيعي از جمله تابع توزيع روزين-راملر ارائه مي‌شود. براي شبيه‌سازي يك گازساز جريان حامل، اگر تابع توزيع قطرات موجود باشد، قسمت عمده‌اي از محاسبات، كه در فاز لاگرانژي و بسيار زمان‌بر است، به لطف استفاده از اين تابع حذف مي‌شود. كه با توجه به استفاده از اطلاعات تجربي و يا شبيه‌سازي تابع توزيع قطر ميانگين با دقت بالا تعيين شده و در ادامه شبيه‌سازي محيط واكنشي با سرعت بيش‌تري امكان‌پذير است. شبيه‌سازي گازساز با استفاده از كد متن باز اوپن‌فوم انجام شده است. شبيه‌سازي انجام شده پس از استخراج خصوصيات فيزيكي و ترموديناميكي مازوت، از روش اويلري-لاگرانژي انجام شد. قطرات اسپري شده در فاز لاگرانژي دنبال شده و پس از تبخير وارد فاز گازي شده و در محيط با دماي زياد واكنش مي‌دهند. مطالعه‌ي پارامتري براي بررسي اثر نسبت هم‌ارزي روي دما و توزيع درصد حجمي اجزاء انجام شد. نتايج نشان مي‌دهد كه در اثر كاهش نسبت هوا به سوخت، درصد اجزاي CO و H2 افزايش يافته است. براي CO اين روند به صورت افزايشي-كاهشي بوده و در 4/0ER= مقدار بيشينه را داشته است. بازده گاز سنتز در 4/0ER= بيشينه بوده است همچنين مقدار بازده‌كل (شامل حرارت) هم در همين نسبت هم‌ارزي بيشينه بوده است. در تمام موارد درصد كمي از CH4 در محصولات مشاهده مي‌شود. در اين فصل اثر تغيير مدل تبخير قطرات در محفظه‌ي احتراق مطالعه شد و تأثير قابل توجهي در اين ارتباط مشاهده نشد. در ادامه، مطالعه‌ي عملكرد يك گازساز بخار آب فوق بحراني با خوراك سوخت سنگين نفتي (مازوت) در دستور كار قرار گرفت كه با توجه به پيچيدگي‌هاي اين شبيه‌سازي ديناميك سيالات محاسباتي در حالت فوق بحراني اين مطالعه از رويكرد ترمودينامكي انجام شد. مطالعه‌اي پارامتري براي استخراج حساسيت پارامترهاي مختلف روي عملكرد يك گازساز بخار آب فوق بحراني با خوراك سوخت سنگين نفتي (مازوت) انجام شد. پارامترها شامل كسر جرمي خوراك و فشار و دماي گازساز مي‌باشد. مطالعه در دو حالت انجام گرفت، يكي در حالت فشار ثابت گازساز (MPa 1/22P=) و ديگري در دماي ثابت گازساز (C° 600T=)، در حالي‌كه نتايج با توجه به تغييراتِ دو پارامتر ديگر بررسي مي‌شوند. نتايج نشان داد بازده گازساز زماني كه كسر جرمي خوراك نزديك به 30 درصد و دماي گازساز نزديك به 500 درجه سلسيوس است، مقدار بيشينه‌ي حدود 81 درصد را اتخاذ مي‌كند. همانند كسر مولي اجزاء، تغييرات فشار تغييرات قابل ملاحظه‌اي روي بازده ايجاد نمي‌كند.

193371

دانشگاه علم و صنعت ايران

تبديل انرژي

دكتر حجت قاسمي