آموزش شبیه سازی احتراق ماده زیست توده ای درون گسیفایر

آموزش شبیه سازی احتراق ماده زیست توده ای درون گسیفایر


750,000 تومان

( آخرین بروزرسانی : 14 شهریور, 1401 )

بررسی اجمالی محصول

با خرید این محصول، ویدئوی آموزش شبیه سازی احتراق ماده زیست توده ای درون گسیفایر با نرم افزار ansys fluent به همراه فایل شبکه بندی آن (msh.) را دریافت خواهید کرد.

نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی احتراق ماده زیست توده ای درون گسیفایر

مقدمه‌­ای بر منابع انرژی زیست‌­توده (biomass)

تولید انرژی با استفاده از فرایند سوختن سوخت­‌های فسیلی در جهان مشکلاتی را به همراه آورده است؛ زیرا معایب این سوخت­‌های فسیلی شامل تجدیدناپذیری، گران بودن، آلایندگی بالا و تولید کربن‌­دی­‌اکسید و مواد سمی بالا می­‌باشد. از این­‌رو، جهان به سمت مسیر جایگزین کردن این سوخت­‌های فسیلی با منابع انرژی پاک، در دسترس و تجدیدپذیر مانند انرژی باد، خورشید، امواج دریا، زمین­‌گرمایی و زیست‌­توده­‌ها حرکت کرده است. بنابراین، استفاده از زیست­‌توده به عنوان یکی از منابع انرژی جایگزین از لحاظ مسائل زیست محیطی، اقتصادی و سهولت کاربرد مورد استقبال قرار گرفته است. درواقع زیست‌­توده (biomass) یک منبع انرژی تجدیدپذیر  است که از مواد زیستی به دست می‌­آید. چوب درختان و ضایعات جنگلی، فضولات دامی، پسماندها و فاضلاب‌­های شهری و صنعتی، و محصولات کشاورزی و ضایعات گیاهی مثل گندم، ذرت، سیب زمینی، نیشکر، چغندر و ….. از جمله منابع تجدیدپذیر زیست­‌توده می‌­باشند. درواقع، می‌­توان با انجام واکنش­‌های شیمیایی مخصوص، قند و سلولز و سایر مواد موجود در ضایعات کشاورزی را به سوخت­‌های پاک تبدیل کرد. به طور کلی گاز سنتز اصطلاحی است که به مجموعه­‌ای از فرایندهایی می­‌گویند که محصول آن گازی شامل هیدروژن و مونواکسید کربن باشد.

 

فرایند گازی­‌سازی زیست‌­توده­‌ها (biomass gasification)

فرایند گازی­‌سازی به صورت تبدیل مواد خام زیست­‌توده به گاز سنتز تعریف می­‌شود؛ بدین ترتیب که فرایند احتراقی برای سوخت زیست‌­توده جامد در دمایی بالا در حدود 1000 کلوین اتفاق می­‌افتد که منجر به تولید گاز سنتز می­‌شود. این گاز عمدتاً ترکیبی از مونواکسید کربن، متان، دی‌­اکسید کربن، هیدروژن، بخار آب، نیتروژن، و برخی ذرات هیدروکربنی، تار و خاکستر است. گاز سنتز حاصل از این فناوری می­‌تواند برای تولید انرژی گرمایی و تولید برق مورد استفاده قرار بگیرد. این گاز نسبت به گاز طبیعی دارای ارزش حرارتی کمتری می‌­باشد اما دارای قابلیت احتراق می­‌باشد.

برای تولید این گازها از یک راکتور گازساز یا اصطلاحاً گسیفایر (gasifier) استفاده می‌­کنند؛ به طوری که در این گسیفایر، ماده­‌ی زیست­‌توده مورد نظر با عامل گازساز واکنش می­‌دهد. گسیفایرها شامل دو دسته‌­ی کلی تحت عنوان بستر ثابت و بستر سیال می­‌باشد. در گسیفایرهای بستر ثابت، عامل گازساز که معمولاً هواست، از زیر یا بالای راکتور به آرامی وارد محفظه می‌­شود. در راکتورهای بستر سیال، مواد جامد به دلیل آشفتگی درون راکتور، به حالت شناور در فضای راکتور در می­‌آیند که عامل گازساز (هوا، اکسیژن، بخار و یا ترکیبی از این گازها) وظیفه­‌ی ایجاد این آشفتگی را بر عهده دارد.

این فرایند گازی­‌سازی از چهار مرحله‌­ی اصلی شامل خشک­ کردن (drying)، تجزیه یا شکافت در اثر حرارت (pyrolysis)، سوختن (combustion) و گازی‌سازی (gasification) تشکیل شده است. در مرحله­‌ی خشک کردن، رطوبت ماده‌­ی زیست‌­توده  در دماهای بالاتر از 100 سانتی‌گراد گرفته شده و محتوای آب موجود در آن به بخار تبدیل می‌­شود. در مرحله­‌ی تجزیه در اثر حرارت، طی واکنشی در غیاب اکسیژن، گازهای فرار از مواد خام کربن جامد آزاد شده و پسماند را که شامل ذغال نیمسوز و بخار است، ترک می­‌کند و به مواد بیشتری شامل (CH4,H2,CO2,CO,H2O) تجزیه می‌­شود. در مرحله­‌ی سوختن، هوا شامل اکسیژن و بخار آب با سوخت جامد کربنیزه شده واکنش می‌­دهد و موجب تولید مضاعف H2 و CO2 می­‌گردد. درنهایت در مرحله­‌ی گازی‌­سازی، تعدادی از واکنش‌­های شیمیایی با درجه­‌ی حرارت بالا بین 400 کلوین تا 1500 کلوین رخ م‌ی­دهد؛ بدین ترتیب که ذغال نیمسوز با بخار و کربن‌دی­‌اکسید واکنش می‌­دهد تا درنهایت تبدیل از زیست‌­توده به گاز سنتز نهایی انجام بگیرد.

 

 

بیان مسأله

مسأله‌­ی حاضر به شبیه­‌سازی فرایند احتراق درون یک محفظه­‌ی گسیفایر پرداخته است. ماده‌­ی مورد استفاده برای سوختن، از مواد زیست­‌توده‌­ای (biomass) می‌­باشد که با اکسیدکننده واکنش نشان می­‌دهد. این ماده­‌ی زیست­‌توده­‌ای از جنس کاه جو (wheat straw) بوده که با کسیژن واکنش نشان داده و منجر به تولید گاز سنتز به عنوان سوخت سالم شده است. از آنجایی که در این شبیه­‌سازی، واکنش احتراق بین ماده­‌ی زیست‌­توده و اکسید کننده اتفاق می­‌افتد و در طول فرایند گونه‌­های گازی مختلفی به عنوان واکنش‌­دهنده­ یا فراورده دخالت دارند، از مدل گونه‌­های گازی (species) استفاده شده و با فعالسازی واکنش درون آن، از مدل واکنش نوع غیرپیش‌­آمیخته (non-premixed) استفاده شده است. در مدل حاضر، سوخت شامل ماده­‌ی زیست­‌توده و هوا از دو ورودی جدا از ناحیه‌­ی بالا وارد محفظه می‌­شوند و موجب ایجاد توده‌­ای از مواد شامل خاکستر و ذغال نیمسوز در بخش پایین این محفظه می‌شوند. درنهایت، گاز حاصل از فرایند، از خروجی تعبیه شده در پایین محفظه به بیرون تخلیه می‌­شود تا در مرحله­‌ی بعد، وارد بویلر مربوطه جهت ایجاد فرایند احتراق گردد. همچنین، سوخت ورودی باید به صورت ذرات گسسته وارد محفظه گردند؛ بدین معنا که تزریق این ماده به داخل محفظه، براساس دیدگاه لاگرانژی تعریف می­‌شود. بنابراین مدل فاز گسسته (discrete phase) مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین از آنجایی که در فرایند احتراق، انرژی حرارتی تابشی از شعله­‌های حاصل از احتراق وجود دارد، مدل تابشی (radiation) تعریف شده است.

 

 

گام 1) ترسیم هندسه و شبکه‌­بندی

مدل حاضر به صورت دو بعدی و با استفاده از نرم‌­افزار gambit ترسیم شده است. هندسه‌­ی مدل مربوط به یک محفظه­‌ی گسیفایر با یک ساختار نازلی در میانه­‌ی بدنه‌­ی آن می‌­باشد؛ بدین ترتیب که دو لوله­‌ی باریک و با قطر کوچک در دو طرف محفظه به عنوان مجرای ورودی جریان هوا، یک مقطع با قطر بزرگتر مخصوص تزریق سوخت زیست‌­توده‌­ای در بالای محفظه، و یک مجرای مخصوص خروج گاز سنتز در پایین محفظه قرار دارند.

 

 

شبکه‌­بندی مدل حاضر با استفاده از نرم‌­افزار gambit انجام گرفته است. مش‌­بندی به صورت بدون سازمان بوده و تعداد شبکه­‌های تولیدی معادل 1108 می­‌باشد.

 

 

گام 2) مراحل شبیه­‌سازی

برای شبیه­‌سازی مدل حاضر، چند فرض در نظر گرفته شده است که عبارتند از:

  • شبیه­‌سازی مبتنی بر فشار (pressure-based) صورت گرفته است.
  • شبیه‌­سازی در هر دو حالت سیالاتی و انتقال حرارتی انجام گرفته است.
  • مدل حاضر از نظر زمانی پایا (steady) می‌­باشد؛ یعنی ترم زمان در حل مدل لحاظ نشده است.
  • اثر گرانش زمین (gravity) بر روی سیال نادیده گرفته شده است.

 

خلاصه ­ای از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول زیر آمده است :

 

 

معرفی مدل radiation

به طور کلی انتقال حرارت سیالات در سه دسته صورت می­‌گیرد که شامل انتقال حرارت هدایتی، انتقال حرارت جابه‌­جایی و انتقال حرارت تشعشعی می­باشد. انتقال حرارت تشعشعی عبارت است از انتقال حرارتی که از طریق امواج الکترومغناطیسی صورت می­‌گیرد. به طور کلی، همه‌­ی اجسام در دمایی مشخص، از سطح خود حرارتی را تابش می­‌کنند که به عنوان انتقال حرارت تشعشعی شناخته می­‌شود؛ بدین ترتیب می‌­توان گفت که علت اصلی انتقال حرارت تشعشعی، حرکات دورانی و ارتعاشی مولکول‌­ها، اتم­‌ها و الکترون­‌هاست که درواقع مقدار دما برایند این تحرکات را نشان می­‌دهد. انتقال حرارت تشعشعی جزء پدیده­‌های حجمی است؛ هرچند برای اجسام ماتی همچون فلزات، تابش به صورت سطحی اتفاق می­‌افتد.

مدل P1 یکی از انواع مدل انرژی تشعشعی می­‌باشد. از مدل P1 برای مواردی استفاده می­‌شود که استقلال از جهت در معادلات انتقال حرارت تشعشعی ادغام شود و در نتیجه منجر به یک معادله­‌ی پخش یا انتشار برای تابش­‌های تصادفی شود. مزایای این روش عبارت است از این که معادله­‌ی انتقال حرارت تشعشعی به راحتی با cpu پایین نیز حل می‌­شوند، اثرات پراکندگی نور را شامل می‌­شود مثل اثرات ذرات و یا قطرات آب و یا دوده، و در کاربردهایی مثل احتراق که دارای ضخامت نوری بالایی هستند به خوبی عمل می­‌کند.

همچنین به نسبت انرژی ساطع شده توسط یک سطح به انرژی ساطع شده توسط یک جسم سیاه (جسمی که کامل­ترین جذب کننده و ساطع کننده می­‌باشد) در یک دمای یکسان، ضریب انتشار یا گسیلندگی داخلی (internal emisivity) می‌­گویند که همواره دارای مقداری بین صفر و یک می‌­باشد.

در مدل حاضر، از آنجایی که فرایند مربوط به احتراق بوده و ضخامت لایه‌­ی نوری آن بالامی‌­باشد و انتشار تشعشع در حضور ذرات سوخت و گاز صورت می‌گیرد، مدل P1 به کار گرفته شده است. همچنین فرض شده است که ضریب انتشار داخلی در مقاطع ورودی مربوط به سوخت تزریقی و هوا و دیواره­‌ی محفظه­‌ی گسیفایر برابر با یک می‌­باشد.

 

 

معرفی مدل species

هرگاه در شبیه­‌سازی، از چندین گونه‌­ی گازی در قالب فرایندهای مختلف استفاده شده باشد، مدل گونه­‌ها (species) استفاده می‌­شود. این گونه‌­های گازی براساس نوع فرایندی که در مدل به کار می‌­رود، دارای انواع مختلفی می­‌باشد.

مدل غیرپیش‌­آمیخته (non-premixed combustion) یکی از مدل­‌های گونه­‌های گازی است. این مدل زمانی استفاده می‌­شود که سوخت و اکسید کننده از مسیرهای جریان جداگانه وارد منطقه­‌ی واکنش می‌­شوند؛ یعنی قبل از ورود به محفظه، پیش آمیخته نمی­‌شوند که از جمله موارد استفاده­‌ی آن شامل موتورهای احتراق داخلی دیزلی و کوره‌­های ذغال سنگ مایع می‌­باشد. این مدل دارای ویژگی­‌هایی است که عبارت‌­اند از این که انتقال حرارت جابه­‌جایی یا دیفیوژن واکنش دهنده­‌ها از هر طرف به سمت ورق شعله خواهد بود، آشفتگی شکل شعله­‌ی لمینار را دچار اعوجاج کرده و اختلاط را تقویت می­‌کند، و ممکن است احتراق به یک مسأله­‌ی اختلاطی ساده­‌سازی شود و مشکلات مرتبط با نرخ واکنش­‌های متوسط غیرخطی کنار گذاشته شود. در این مدل، از تعریف کسر مخلوطی (mixture fraction) که بیانگر کسر جرمی نشأت گرفته از جریان سوخت است، استفاده می‌­شود که همان کسر جرمی محلی المان­‌های جریان سوختی سوخته و نسوخته (مثل C و H و …..) در گونه‌­های گازی مختلف (مثل CO2 و H2O و O2 و …..) می‌­باشد.

رفتار انرژی در طول فرایند احتراق می­‌تواند آدیاباتیک یا غیرآدیاباتیک باشد. از مدل غیرآدیاباتیک برای مواردی مثل تشعشع یا انتقال حرارت دیواره، ورود سوخت­‌های چندگاه در دماهای مختلف، ورود اکسیدکننده‌­های چندگانه در دماهای مختلف و برای سوخت مایع، ذرات ذغال سنگ و یا انتقال حرارت به ذرات بی­اثر استفاده می‌­شود. در حالی که اگر از مدل آدیاباتیک استفاده شود، نیازی به حل معادله­‌ی انرژی نیست و دمای سیستم مستقیماً از کسر مخلوط و دماهای ورودی سوخت و اکسیدکننده به دست می­‌آید.

در بخش boundary مربوط به مدل non-premixed، باید به تعریف هر یک از گونه­‌های گازی مربوط به جریان­‌های سوخت و اکسیدکننده به عنوان واکنش دهنده‌­های موجود در واکنش­‌های شیمیایی در مرزهای ورودی پرداخت، اما گونه‌­های گازی مربوط به محصولات واکنش و واسطه‌­های واکنش به طور خودکار توسط نرم‌­افزار به دست می‌­آیند. درواقع، اگر سوخت­‌ها و یا اکسیدکننده­‌ها به صورت ترکیبی از گونه­‌های گازی مختلفی باشند، می‌­توان آن گونه­‌های گازی را به فهرست گونه­‌های گازی مرزی اضافه نمود. سپس می­‌توان به تعریف مقدار نسبت مولی یا نسبت جرمی هر یک از جریان‌­های سوختی و اکسیدکننده‌­های ورودی پرداخت. همچنین می­‌توان مقدار دمای ورودی مربوط به جریان سوخت و اکسیدکننده را در محفظه تعریف کرد.

در مدل non-premixed، تعریف مقدار کسر جرمی گونه­‌ها در مرزها نیازی نیست و فقط باید مقادیر کسر مخلوطی متوسط و واریانس یا انحراف کسر مخلوطی در مرزها را تعریف کرد. به عنوان مثال در شبیه­‌سازی مربوط به واکنش یک جریان سوختی با یک جریان اکسید کننده، باید مقدار کسر مخلوطی متوسط را در ورودی مخصوص جریان سوخت برابر یک و در ورودی مخصوص جریان اکسیدکننده برابر صفر در نظر گرفته می­‌شود. مقدار واریانس کسر مخلوطی در ورودی­‌ها نیز معمولاً برابر صفر فرض می‌­شود.

در شبیه­‌سازی حاضر، از آنجایی که ورودی مربوط به هوا و سوخت مجزا بوده و سوخت و اکسیدکننده پیش از ورود به فضای درونی محفظه با یک­دیگر ترکیب نمی­‌شوند، واکنش به صورت غیرپیش­‌آمیخته تعریف شده است. همچنین رفتار انرژی از نوع غیرآدیاباتیک می­باشد. برای تعریف واکنش احتراق غیرپیش­‌آمیخته به نرم­‌افزار fluent و تعریف مخلوطی متشکل از ماده­‌ زیست­‌توده‌­ای و هوا و سایر گونه‌­های گازی، یک فایل (probability density function) فراخوانی شده است. این فایل­ مجموعه­‌ای از داده­‌های ترمودینامیکی را براساس تحلیل نهایی و تقریبی مواد زیست­‌توده‌­ای آزمایش شده، تعریف می­‌کند. گونه‌­های گازی مورد استفاده در واکنش احتراق غیرپیش­‌آمیخته شامل سوخت CH4 با نسبت جرمی 1 و اکسیدکننده شامل N2 با نسبت جرمی 0.78992 و O2 با نسبت جرمی 0.21008 است. فشار کاری واکنش احتراق غیرپیش‌­آمیخته برابر 101325 پاسکال و حد شعله‌­پذیری غنی جریان سوخت برابر 0.1 در نظر گرفته شده است. همچنین دمای ورودی سوخت و واکنش­دهنده­ها برابر 300 کلوین می­‌باشد.

 

 

معرفی مدل فاز گسسته (discrete phase)

زمانی از فاز گسسته استفاده می­‌گردد که هدف، بررسی رفتار ذرات از دیدگاه لاگرانژی و به صورت گسسته باشد. درواقع، تفاوت دیدگاه لاگرانژی با دیدگاه اویلری در این امر است که رفتار سیال در دیدگاه لاگرانژی بر اساس تعقیب ذره به ذره­‌ی جریان سیال مورد بررسی قرار می‌گیرد؛ در حالی که رفتار سیال در دیدگاه اویلری بر اساس فرض یک المان حجمی محدود در مسیر جریان سیال مورد بررسی قرار می­‌گیرد.

در صورتی که رفتار ذرات گسسته در حضور میدان جریان پیوسته، از جریان پیوسته اثرپذیری داشته باشد، باید حالت تعامل با فاز پیوسته         (interaction with continuous phase) فعال گردد. همچنین در صورتی که تعقیب ذرات نسبت به زمان به صورت ناپایا بررسی گردد، باید گزینه­‌ی تعقیب ذرات در حالت ناپایا (unsteady particle tracking) فعال بشود. فاز گسسته می‌­تواند در قالب­‌های فیزیکی مختلفی اعمال گردد که نوع آن وابسته به مدل مسأله دارد. یکی از حالت­‌های فیزیکی تعریفی، حالت کوپلینگ توربولانسی دو مسیری هست که برای بررسی اثرات تغییر در کمیت­‌های توربولانسی ناشی از دمپ شدن ذرات و توربولانس‌­ادی اعمال می­‌شود.

همچنین فرایند تزریق (injection) برای جریان مخلوط در بخش ورودی مدل مورد نظر تعریف می­‌گردد؛ بدین صورت که در مقطع ورودی مدل، ماده‌­ی مورد نظر با همان حالت گسسته و یا ذره به ذره وارد فضای درونی مدل می­‌شود. این تزریق ماده­ به حالت گسسته می‌تواند در حالت­‌های مختلفی اتفاق بیفتد. به عنوان مثال حالت سوختن (combusting) برای زمانی به کار می­‌رود که ماده­‌ی مورد نظر جهت انجام فرایند احتراق به فضای درونی مدل تزریق می­‌شود.

فازهای گسسته در نواحی مرزی (مثل ورودی، خروجی و دیواره­‌ها) می­توانند سه رفتار مختلف از خود نشان بدهند؛ بدین تریب که یا از مرز رد می­‌شود (escape)، یا در مرز گیر می­‌افتد (trap) و یا از مرز برگشت پیدا می‌­کند (reflect).

در مدل حاضر، از آنجایی که سوخت به صورت ذره به ذره و در حالت گسسته به فضای درونی محفظه‌­ی گسیفایر جهت انجام فرایند احتراق تزریق می‌شود، مدل فاز گسسته (discrete phase) مورد استفاده قرار گرفته است. این نوع از فاز گسسته­‌ی مورد استفاده، دارای حالت تعامل با فاز پیوسته بوده و تعقیب ذرات به صورت ناپایا با گام زمانی 0.001 ثانیه انجام گرفته است. همچنین حالت فیزیکی فاز گسسته‌­ی تعریفی از نوع کوپلینگ توربولانسی دومسیری می‌­باشد. در مدل حاضر، ماده­‌ی تزریقی نوعی ماده­‌ی زیست­‌توده‌­ای به نام wheat straw می­‌باشد که به حالت صفحه­‌ای (surface) به فضای داخلی محفظه تزریق می­‌شود. تزریق ذرات سوخت زیست‌­توده در قالب انجام واکنش احتراق وارد محفظه می­‌شوند و از این­‌رو حالت تزریق به صورت احتراقی (combusting) تعریف شده است. این فرایند تزریق منجر به سوختن با سرعت 0.5 متربرثانیه و دبی کلی 0.00012 کیلوگرم‌برثانیه و دمای 300 کلوین و در مدت زمان 10000 ثانیه اتفاق می‌­افتد.

 

 

گام سوم) نتایج نهایی

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای دو بعدی مربوط به فشار، دما، سرعت، چگالی، کسر جرمی متان، کسر جرمی کربن­‌دی‌­اکسید، کسر جرمی کربن‌مونواکسید، کسر جرمی اکسیژن، کسر جرمی نیتروژن، کسر جرمی بخار آب، و همچنین خطوط جریان دوبعدی و بردارهای سرعت دوبعدی به دست آمده‌­اند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

دیدگاه

دیدگاهی ثبت نشده.

اولین نفری باشید که نظر می دهید برای “آموزش شبیه سازی احتراق ماده زیست توده ای درون گسیفایر”