آموزش شبیه سازی احتراق ماده زیست توده ای درون گسیفایر
500,000 تومان
آخرین بروزرسانی : 30 آذر, 1400
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.
تمامی محصولات شامل فایل های Geometry و Mesh بوده و آموزش محصولات به صورت یک جلسه آنلاین یک ساعته خواهد بود.
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.