بررسی عددی پارامترهای مؤثر در انتقال حرارت تشعشعی فرایند احتراق اکسیژنی کوره‌های گازی چرخشی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 آزمایشگاه توربولانس و جریان دوفازی، دانشکده هوافضا، دانشگاه امیرکبیر، تهران، ایران

2 صنعتی امیرکبیر*مهندسی هوافضا

چکیده

مطالعات زیادی در زمینه کوره‌های گازی جهت بهبود عملکرد و همچنین کاهش مشکلات زیست محیطی آن‌ها انجام شده‌است. استفاده از تکنولوژی احتراق مبتنی بر سوخت اکسیژنی یکی از روش‌های رایج در کاهش مشکلات زیست محیطی می‌باشد. در کوره‌های گازی مبتنی بر احتراق سوخت اکسیژنی، با توجه به دمای بالای شعله، انتقال حرارت تشعشعی بخش مهمی از شار حرارتی را تشکیل می‌دهد و  نقش مهمی در نحوه توزیع دمای شعله دارد. پارامترهای مختلفی در انتقال حرارت تشعشعی کوره‌ها تأثیر دارد. در این پژوهش به بررسی تأثیر ضریب تشعشع دیوارها، ترکیب اکسیدکننده و چرخش جریان ورودی در کوره‌گازی هارول که با سوخت متان کار می‌کند پرداخته شد. از مدل  استاندارد، مدل جهت‌گیری گسسته و مدل اتلاف گردابه‌ای به‌ترتیب جهت مدل‌سازی آشفتگی جریان، تشعشع و فرایند احتراق استفاده شد. خواص تشعشعی محیط گازی با استفاده از مدل جمع وزنی گازهای خاکستری تعیین شد. نتایج نشان دادند که با افزایش عدد چرخش از 2/0 به 1، شعله در اثر حرکت چرخشی گازها به اندازه 92 میلی‌متر به دیواره بالا و 100 میلی‌متر به دهانه ورودی نزدیک می‌شود. این امر سبب می‌شود که با افزایش عدد چرخش شار حرارتی دیوارها افزایش و شار حرارتی محوری کاهش یابد. با تغییر ترکیب اکسیدکننده به علت تغییر در درصد و ترکیبات گازهای حاصل از احتراق، میزان فعال بودن محیط گازی از نظر تشعشعی دچار تغییر می‌شود. استفاده از نیتروژن در اکسیدکننده سبب می‌شود دمای بیشینه 40 میلی‌متر به‌سمت دیوار بالا حرکت کند درحالی که کربن دی اکسید باعث تمرکز شعله در محور مرکزی می‌گردد اگرچه افزایش درصد جرمی اکسیژن در اکسیدکننده فرایند پخش را بهبود می‌بخشد. افزایش ضریب تشعشع دیوارها نیز موجب می‌شود شعله متمرکزتر شود و با افزایش ضریب تشعشع از 0 به 1، بیشینه دمای شعله 140 درجه کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Effective Parameters in Radiant Heat Transfer of Oxyfuel Combustion Process of Swirling Gas Furnaces

نویسندگان [English]

  • saman kasmaiee 1
  • sahar noori 2
  • siroos kasmaiee 1
1 Turbulence and Two Phase Flow Laboratory, Amirkabir University of Technology (Tehran Polytechnic) Tehran, Iran
چکیده [English]

In gas furnaces based on oxyfuel combustion, radiative heat transfer is an important part of the heat flux and plays an important role in the flame temperature distribution. Different parameters affect the radiant heat transfer of furnaces. In this study, the effect of wall emissivity coefficient, oxidizer compound, and inlet flow swirl number in a Harwell gas furnace was investigated. k-ε standard, discrete ordinate, and eddy dissipation model were utilized to model turbulence, radiation, and combustion process, respectively. The radiative properties of the gaseous medium were determined using the weighted-sum-of-gray-gases model. The results showed that with increasing the swirl number, the maximum flame temperature moves upwards and approaches the inlet. This causes the heat flux of the walls to increase and the axial heat flux to decrease. By changing the oxidizer composition, the radiant activity of the gaseous medium changes. This causes a change in the temperature distribution in the whole field and axial and wall heat fluxes. The use of nitrogen in the oxidizer causes the maximum temperature to move towards the walls, while the use of carbon dioxide causes the flame to concentrate in the central axis, although the increase of the mass percentage of oxygen in the oxidizer improves flame diffusion. Increasing the wall emissivity coefficient causes the flame to become more concentrated and its maximum temperature to move upwards.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Combustion
  • Gas furnace
  • Oxidyfuel
  • Radiation
  • Swirl number

مراجع

[1] N. Gascoin, Q. Yang, K. Chetehouna, Thermal effects of CO2 on the NOx formation behavior in the CH4 diffusion combustion system, Applied Thermal Engineering, 110 (2017) 144-149.
[2] M.R. Shakeel, Y.S. Sanusi, E.M. Mokheimer, Numerical modeling of oxy-methane combustion in a model gas turbine combustor, Applied energy, 228 (2018) 68-81.
[3] X. Yang, A. Clements, J. Szuhánszki, X. Huang, O.F. Moguel, J. Li, J. Gibbins, Z. Liu, C. Zheng, D. Ingham, Prediction of the radiative heat transfer in small and large scale oxy-coal furnaces, Applied energy, 211 (2018) 523-537.[4] M. Ditaranto, T. Oppelt, Radiative heat flux characteristics of methane flames in oxy-fuel atmospheres, Experimental Thermal and Fluid Science, 35(7) (2011) 1343-1350.[5] S. Hjärtstam, R. Johansson, K. Andersson, F. Johnsson, Computational fluid dynamics modeling of oxy-fuel flames: the role of soot and gas radiation, Energy & fuels, 26(5) (2012) 2786-2797.
[6] R. Viskanta, M. Mengüç, Radiation heat transfer in combustion systems, Progress in Energy and Combustion Science, 13(2) (1987) 97-160.
[7] E. Keramida, H. Liakos, M. Founti, A. Boudouvis, N. Markatos, Radiative heat transfer in natural gas-fired furnaces, International Journal of Heat and Mass Transfer, 43(10) (2000) 1801-1809.
[8] M. Bidi, R. Hosseini, M. Nobari, Numerical analysis of methane–air combustion considering radiation effect, Energy Conversion and Management, 49(12) (2008) 3634-3647.[9] M. Rajhi, R. Ben-Mansour, M. Habib, M. Nemitallah, K. Andersson, Evaluation of gas radiation models in CFD modeling of oxy-combustion, Energy conversion and management, 81 (2014) 83-97.[10] F.R. Centeno, C.V. da Silva, F.H. França, The influence of gas radiation on the thermal behavior of a 2D axisymmetric turbulent non-premixed methane–air flame, Energy conversion and management, 79 (2014) 405-414.[11] H.A. El-Asrag, A.C. Iannetti, S.V. Apte, Large eddy simulations for radiation-spray coupling for a lean direct injector combustor, Combustion and flame, 161(2) (2014) 510-524.[12] L. Wang, D. Haworth, S. Turns, M. Modest, Interactions among soot, thermal radiation, and NOx emissions in oxygen-enriched turbulent nonpremixed flames: a computational fluid dynamics modeling study, Combustion and Flame, 141(1-2) (2005) 170-179.[13] A.C. Benim, S. Iqbal, W. Meier, F. Joos, A. Wiedermann, Numerical investigation of turbulent swirling flames with validation in a gas turbine model combustor, Applied thermal engineering, 110 (2017) 202-212.
[14] G. Abdizadeh, S. Noori, H.R. Tajik, M. Shahryari, M. Saeedi, Numerical investigation of Hybrid Wick Structure Effect on Thermal Performance of a Thin Flat Heat Pipe, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 53(11) (2022) 10-10.
[15] M.S. Moemenbellah-Fard, S. Noori, Discrete ordinate and P1-based approximations of heater transparency on radiation-convection of four separate gases in factory setting, Building Simulation, 13(3) (2020) 647-663.
[16] V. Tahmasbi, S. Noori, Extending Inverse Heat Conduction Method to Estimate Flight Trajectory of a Reentry Capsule, AUT Journal of Mechanical Engineering, 4(4) (2020) 7-7.[17] M. Tadjfar, S. Kasmaiee, S. Noori, Optimization of NACA 0012 Airfoil Performance in Dynamics Stall Using Continuous Suction Jet, Fluids Engineering Division Summer Meeting, (2020).[18] M. Tadjfar, S. Kasmaiee, S. Noori, Continuous Blowing Jet Flow Control Optimization in Dynamic Stall of NACA0012 Airfoil, Fluids Engineering Division Summer Meeting, (2020).[19] S. kasmaiee, M. Tadjfar, S. kasmaiee, Investigation of Suction Jet Parameters in Flow Control of Dynamic Stall, Journal of Applied and Computational Sciences in Mechanics, 32(2) (2021) 181-200.[20] J.R. Howell, M. Perlmutter, Monte Carlo solution of thermal transfer through radiant media between gray walls, (1964).[21] T.-J. Li, S.-N. Li, Y. Yuan, F.-Q. Wang, H.-P. Tan, Light field imaging analysis of flame radiative properties based on Monte Carlo method, International Journal of Heat and Mass Transfer, 119 (2018) 303-311.[22] R. Koch, R. Becker, Evaluation of quadrature schemes for the discrete ordinates method, Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 84(4) (2004) 423-435.[23] E. Chui, G. Raithby, Computation of radiant heat transfer on a nonorthogonal mesh using the finite-volume method, Numerical Heat Transfer, 23(3) (1993) 269-288.[24] P. Rivière, A. Soufiani, Updated band model parameters for H2O, CO2, CH4 and CO radiation at high temperature, International Journal of Heat and Mass Transfer, 55(13-14) (2012) 3349-3358.[25] X. Yang, Z. He, S. Dong, H. Tan, Evaluation of the non-gray weighted sum of gray gases models for radiative heat transfer in realistic non-isothermal and non-homogeneous flames using decoupled and coupled calculations, International Journal of Heat and Mass Transfer, 134 (2019) 226-236.[26] M.H. Bordbar, G. Węcel, T. Hyppänen, A line by line based weighted sum of gray gases model for inhomogeneous CO2–H2O mixture in oxy-fired combustion, Combustion and flame, 161(9) (2014) 2435-2445.
[27] F. Cassol, R. Brittes, F.H. França, O.A. Ezekoye, Application of the weighted-sum-of-gray-gases model for media composed of arbitrary concentrations of H2O, CO2 and soot, International Journal of Heat and Mass Transfer, 79 (2014) 796-806.
[28] J. Guo, L. Shen, J. Wan, P. Li, Z. Liu, A full spectrum k‐distribution‐based weighted‐sum‐of‐gray‐gases model for pressurized oxy‐fuel combustion, International Journal of Energy Research, 45(2) (2021) 3410-3420.[29] N. Syred, M. Abdulsada, A. Griffiths, T. O’Doherty, P. Bowen, The effect of hydrogen containing fuel blends upon flashback in swirl burners, Applied Energy, 89(1) (2012) 106-110.[30] B. Rohani, K.M. Saqr, Effects of hydrogen addition on the structure and pollutant emissions of a turbulent unconfined swirling flame, International Communications in Heat and Mass Transfer, 39(5) (2012) 681-688.[31] I. Yılmaz, Effect of swirl number on combustion characteristics in a natural gas diffusion flame, Journal of Energy Resources Technology, 135(4) (2013).[32] L. Ziani, A. Chaker, K. Chetehouna, A. Malek, B. Mahmah, Numerical simulations of non-premixed turbulent combustion of CH4–H2 mixtures using the PDF approach, International journal of hydrogen energy, 38(20) (2013) 8597-8603.[33] I. Yilmaz, M. Ilbas, An experimental study on hydrogen–methane mixtured fuels, International communications in heat and mass transfer, 35(2) (2008) 178-187.[34] F. Wang, X. Xie, Q. Jiang, L. Zhou, Effect of turbulence on NO formation in swirling combustion, Chinese Journal of Aeronautics, 27(4) (2014) 797-804.
[35] G. Kim, Y.D. Lee, C.H. Sohn, K.W. Choi, H.S. Kim, Experimental investigation on combustion and emission characteristics of a premixed flame in a gas-turbine combustor with a vortex generator, Applied Thermal Engineering, 77 (2015) 57-64.
[36] A. Khelil, H. Naji, L. Loukarfi, G. Mompean, Prediction of a high swirled natural gas diffusion flame using a PDF model, Fuel, 88(2) (2009) 374-381.
[37] M. İlbaş, S. Karyeyen, İ. Yilmaz, Effect of swirl number on combustion characteristics of hydrogen-containing fuels in a combustor, International Journal of Hydrogen Energy, 41(17) (2016) 7185-7191.
[38] X. Yang, Z. He, Q. Niu, S. Dong, H. Tan, Numerical analysis of turbulence radiation interaction effect on radiative heat transfer in a swirling oxyfuel furnace, International Journal of Heat and Mass Transfer, 141 (2019) 1227-1237.
[39] J. Guo, F. Hu, X. Jiang, P. Li, Z. Liu, Effects of gas and particle radiation on IFRF 2.5 MW swirling flame under oxy-fuel combustion, Fuel, 263 (2020) 116634.
[40] N. Wilkes, P. Guilbert, C. Shepherd, S. Simcox, The application of Harwell-Flow 3D to combustion models, Atomic Energy Authority Report, Harwell, UK, Paper No. AERE-R13508, (1989).
[41] D. Spalding, The numerical computation of turbulent flow, Comp. Methods Appl. Mech. Eng., 3 (1974) 269.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 7
مهر 1401
صفحه 1647-1672

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار