SUPERVISOR
Ahmad Saboonchi,Mohsen DavazdahEmami
احمد صابونچی (استاد مشاور) محسن دوازده امامی (استاد راهنما)
STUDENT
MOHAMAD SADEGH ZEKAVATMAND
محمدصادق ذکاوتمند
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Experimental Study of the Performance of a Porous Burner and Possibility of using Porous Burner in a Horizontal Combustor
The use of porous media in the combustion chamber is a very efficient method to reduce pollution and energy consumption. These burners have advantages over free flame burners because of less production of NOx, preheating the mixture of fuel and air before firing, and smaller size of the burner at the same firing rate. In porous burners, all three mechanisms of heat transfer, namely conduction, Convection, and radiation are present, whereas in the free flame burners the convection mechanism is the major factor for heat transfer. Open-Range triggering, uniform distribution of heat in the combustion chamber, faster warm-up and significant reduction of noise are other advantages of this type of burners that favor the use these burners frequently in various applications. The present study experimentally investigates properties of porous media and their performance as burners with different firing rate, as compared to an existing free flame burner. A mixture of air and natural gas is used as the feed fuel. The porous burner was designed such that the combustion mixture enters into a cylindrical porous medium along the axial direction and exits in radial direction. The location of flame at radial direction is monitored by using thermocouples fitted in several radial locations. There are generally four types of flames in porous media burners. Only two types, submerged combustion and surface combustion, of these are observed are studied in this research. The measuring station for species concentration is at the exit of the combustion chamber. After stabilizing each flame to achieve a steady-state condition, the effects of equivalence ratio and firing rate on the performance of porous and free burners were examined. In this study, three sets of experiments were performed. First the performance of the porous burner and its exhaust gas analysis performed while the exhaust damper was fully opened. Next, the effect of back-pressure on porous burner performance and pollution was studied by adjusting the exhaust damper. Finally, the performance of a free flame burner, and its pollution was investigated. Results show that in a porous medium having 26.2 mm length, surface combustion and submerged combustion take place. The porous burner operating at equivalence ratio of 0.9 (submerged combustion) has performed better than when operating at the equivalence ratio of 0.8 (surface combustion). Increased firing rate in porous medium burner led to increased concentrations of NO and CO2, and reduced volume fractions of CO and O2. Closing the exhaust damper has no significant effect on the amount of O2 and CO2, and causes a small decrease in the concentration of CO, and a small increase in NO concentrations. The characteristics and performance of a conventional free-flame burner were also determined and compared with the porous burner. Results show that increasing equivalence ratio in conventional burner increases the concentration of CO, NO and reduces the concentration of O2 in combustion products. Also increasing firing rate cause an increase in concentration of NO and a decrease in CO. However, it does not have a significant effect on the concentration of O2 and CO2. Keywords : : porous, Burner, Air pollutants, equivalence ratio, porous Burner, fireing rate
استفاده از محیط متخلخل در محفظه احتراق مشعل، یک روش بسیار مؤثر برای کاهش مصرف انرژی و کاهش آلودگی است. از خصوصیات و مزایای برجسته این نوع مشعلها میتوان تولید NO x کمتر نسبت به مشعلهای شعله آزاد، پیشگرمایش مخلوط سوخت و هوای ورودی قبل از احتراق و کاهش حجم مشعل در نرخ آتش یکسان در مقایسه با مشعل معمولی دانست. در این نسل از مشعلها از هر سه روش انتقال حرارت هدایت، جابجایی و تشعشع به دلیل گداختگی جامد متخلخل استفاده میشود. در حالی که در مشعلهای شعله آزاد جابجایی عامل اصلی در انتقال حرارت است. گسترش محدوده شعلهوری، توزیع یکنواخت حرارت در محفظه احتراق، سریعتر گرم شدن، کاهش قابل توجه سروصدا و ... را میتوان از دیگر مزایای این نوع مشعلها در مقایسه با مشعلهای شعله آزاد به شمار آورد که باعث استفاده فراوان آنها در صنایع مختلف گشته است. برای بررسی تجربی خصوصیات و عملکرد مشعلهای محیط متخلخل با نرخ آتش بالا یک نمونه مشعل محیط متخلخل متناسب با مشعل شعله آزاد موجود در دانشگاه صنعتی اصفهان ساخته و مورد آنالیز قرار گرفت.در این پژوهش از هوا و گاز طبیعی به عنوان مخلوط واکنشدهنده استفاده شد. مشعل به گونهای ساخته گردید که مخلوط احتراقی در جهت محوری وارد یک استوانه محیط متخلخل شده و از جهت شعاعی آن خارج شود. با استفاده از ترموکوبل محل شعله در راستای شعاع مورد رصد قرار گرفت. چهار نوع شعله در مشعل محیط متخلخل وجود دارد. از این چهار نوع فقط دو نوع شعله سطحی و مدفون مورد بررسی قرار گرفتند. آنالیز گازهای خروجی از مشعل بعد از پایدار شدن شعله، تأثیر پارامترهای نسبت همارزی و نرخ آتش بر مشعل متخلخل ساخته شده و مشعل شعله آزاد موجود مورد بررسی قرار گرفت. در پایان هر دو نوع مشعل با یکدیگر مقایسه شدند.در این پایاننامه سه دسته آزمایش انجام گرفت. اولی رصد شعله و آنالیز گازهای خروجی مشعل متخلخل، دومی اثر بسته شدن مجرای خروجی بر مشعل متخلخل و سومی بررسی خصوصیات مشعل شعله آزاد موجود میباشد.از نتایج رصد شعله در محیط متخلخل مشخص شد که برای طول mm 2/26 شعله سطحی و مدفون به خوبی تشکیل میشوند. با افزایش طول آرام آرام شعله مدفون خود را به سطح داخلی نزدیک میکند. شعله سطحی ابتدا از سطح جدا میشود و سپس با افزایش بیشتر طول کم کم دوباره بر سطح مینشیند برای مشعل محیط متخلخل در نسبت همارزی 9/0 (شعله مدفون) عملکرد بهتری نسبت به نسبت همارزی 8/0 (شعله سطحی) مشاهده شد. طول بهینه برای مشعل موجود با توجه به نتایج بدست آمده طول mm 2/26 است. افزایش نرخ آتش در مشعل محیط متخلخل نیز منجر به افزایش غلظت NO و CO 2 و کاهش CO و O 2 میشود. انسداد توسط دمپری در مسیر اگزوز ایجاد گردید. در قسمت اثر دمپر بر مشعل متخلخل نیز مشخص شد بسته شدن دمپر بر میزان تولید O2 و CO2 تأثیر چندانی ندارد. اما اندکی کاهش در غلظت CO و اندکی افزایش نیز در غلظت NO ایجاد میکند. در ادامه خصوصیات و عملکرد یک نمونه مشعل معمولی مشخص شد، و در پایان با مشعل محیط متخلخل مقایسه گردید. با افزایش نسبت همارزی مقدار CO، NO و CO 2 افزایش و غلظت O 2 در محصولات احتراق کاهش میابد. همچنین با افزایش نرخ آتش مقدار NO افزایش و غلظت CO کاهش پیدا میکند. کلمات کلیدی: مشعل محیط متخلخل، تخلخل، نرخ آتش، نسبت همارزی، آلاینده، مشعل شعله آزاد