مطالعه آزمایشگاهی و مدلسازی cfd واکنش های تولید و احتراق گاز هیدروژن

در این پایان نامه ابتدا مروری جامع بر مطالعات انجام شده در زمینه تولیدگاز هیدروژن از متان، احتراق گازهای شامل هیدروژن و احتراق با تکنولوژی hitac صورت گرفته است و ویژگیها و کاربردهای روش های مختلف تولید هیدروژن و همچنین احتراق hitac به تفصیل مورد بررسی قرار گرفته است. سپس مدلهای مختلف احتراق، انتقال حرارت تشعشعی و روش های مختلف تولید nox مورد مطالعه قرار گرفت. به منظور بررسی تولید هیدروژن از متان، از یک راکتور آزمایشگاهی مجهز به تکنولوژی hitac استفاده شد که در آن فرآیند ریفرمینگ اتوترمال انجام می شود. در ابتدای این راکتور و در نزدیکی نازل سوخت واکنش های احتراقی صورت می گیرد که گازهای حاصل از احتراق به روی بستری از کاتالیست جریان می یابند. نتایج نشان می دهند که با استفاده از تکنیک hitac میزان نسبت هیدروژن به مونوکسید کربن در گازهای خروجی از راکتور افزایش می یابد. همچنین نتایج بیانگر آن است که با افزایش ضریب هدایت حرارتی بستر کاتالیستی ، میزان هیدروژن تولیدی و بازدهی فرآیند ریفرمینگ افزایش می یابند. برای بررسی واکنش های احتراقی گاز هیدروژن سه مطالعه موردی در این زمینه صورت گرفته است. درمطالعه موردی اول امکان احتراق هیدروژن درون محفظه های میکرو برای تبدیل انرژی گرمایی به الکتریکی توسط مدلسازی cfd مورد بررسی قرار گرفته شده است. نتایج نشان داد که دمای شعله و پایداری آن به اندازه محفظه احتراق بستگی دارد و در محفظه احتراق کوچکتر دمای شعله کم تر است. همچنین نتایج نشان می دهند که ضریب هدایت حرارتی دیواره محفظه و دبی جریان خوراک ورودی نیز در برقراری شعله ای پایدار نقشی مهم دارند. و انشعاب دار کردن خوراک هیدروژن ورودی نیز به عنوان پارامتری تاثیرگذار موجب کاهش ماکزیمم دما درون محفظه می شود و توزیع دما را یکنواخت تر می کند. در مطالعه موردی دوم، احتراق از نوع hitac و انتشار nox در یک محفظه احتراق به صورت آزمایشگاهی و مدلسازی cfd مورد بررسی قرار گرفته شده است. نتایج آزمایشگاهی شامل دما در مرکز محفظه و آنالیز گازهای خروجی حاوی co، co2 ، no و o2 می باشند. مدل های مختلف اغتشاش، احتراق و مکانیسم های شیمیایی مختلف مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که مکانیسم های جزئی همراه با مدل احتراقی edc اصلاح شده و مدل اغتشاش rsm گذرا نتایج آزمایشگاهی را با دقت خوبی پیش بینی می کنند. نتایج همچنین بیانگر آن است که با رقیق کردن سوخت ورودی، مقدار nox کاهش می یابد که علت آن کاهش پیک دمایی و کاهش nox تولیدی از مکانیسم thermal می باشد. در مطالعه موردی سوم احتراق از نوع hitac در یک مشعل jet in hot coflow (jhc) مورد مطالعه قرار گرفت. جریان گازهای اکسید کننده دارای دمای k 1100 و شامل o2، co2، h2o و n2 می باشند که در دوحالت غلظت 3% اکسیژن و 9% اکسیژن وارد می شوند. سوخت نیز از نازل با دمای k 305 خارج می شود. در این مطالعه چهار سوخت اتیلن، اتیلن-هوا، اتیلن-هیدروژن و اتیلن-نیتروژن مورد مطالعه قرار گرفتند. و سه مدل اغتشاش، پنج مدل احتراق مغشوش و دو مکانیسم gri و polimi ارزیابی شدند. نتایج نشان داد که دو مکانیسم ذکر شده، ساختار شعله را بسیار شبیه به هم پیش بینی می کنند. نتایج مدلسازی همچنین بیان می کنند که پیش بینی های مدل های pdf transport و edc اصلاح شده بهتر از مدل flamelets می باشد و مدل های pdf transport مقدار پیک دمایی و فاصله lift- off را با دقت خوبی پیش بینی می کنند. همچنین مدل های pdf transport و edc اصلاح شده مقدار فرمالدهاید در سوخت های مختلف را نزدیک به مقدار واقعی پیش بینی می کنند.