Επίδραση της σύστασης μιγμάτων αερίων καυσίμων στην τάση σχηματισμού αιθάλης με χρήση λεπτομερών μοντέλων χημείας καύσης

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τις διεργασίες σχηματισμού αιθάλης σε πρακτικά συστήματα καύσης και την επίδραση της σύστασης του καυσίμου στην απόδοση και στον σχηματισμό ρυπαντών. Ο σχηματισμός αιθάλης σε ένα πρακτικό σύστημα καύσης είναι ανεπιθύμητος γιατί αφενός είναι απόρροια ατελούς καύσης και ένδειξη πλημμελούς εκμετάλλευσης της θερμικής ενέργειας του καυσίμου, και αφετέρου αποτελεί σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα με άμεση επίδραση στην ποιότητα ζωής και στην κλιματική αλλαγή. Στο πρώτο μέρος της παρούσας διπλωματικής εργασίας παρατίθενται η φαινομενολογία και οι διεργασίες σχηματισμού αιθάλης και αναλύονται οι παράγοντες που τις επηρεάζουν. Στην συνέχεια, περιγράφονται οι μαθηματικές σχέσεις που διέπουν τις επί μέρους διεργασίες σχηματισμού και καταστροφής (οξείδωσης) της αιθάλης καθώς και η μεθοδολογία δημιουργίας μαθηματικού μοντέλου με σκοπό την ενσωμάτωσή του σε αλγορίθμους υπολογιστικής μηχανικής. Από την μελέτη των διεργασιών σχηματισμού αιθάλης καταδεικνύεται η σημασία της χημείας αέριας φάσης. Προκειμένου να μελετηθεί η συσχέτιση της χημικής δομής των φλογών αερίων καυσίμων με τον σχηματισμό αιθάλης, γίνεται περιγραφή, περαιτέρω ανάπτυξη και χρήση λεπτομερούς μηχανισμού χημικής κινητικής, ο οποίος αποτελείται από 141 χημικά είδη και 820 αντιστρεπτές χημικές αντιδράσεις. Σκιαγραφείται η μεθοδολογία ανάπτυξης και πιστοποίησης μηχανισμών χημικής κινητικής και τονίζεται η σημασία της θερμοχημείας στην μοντελοποίηση των φλογών αερίων καυσίμων. Για τον υπολογισμό των θερμοδυναμικών ιδιοτήτων (ενθαλπία, εντροπία, θερμοχωρητικότητα υπό σταθερή πίεση) ορισμένων οξυγονούχων κυκλικών αρωματικών ενώσεων αναπτύχθηκε υπορουτίνα σε γλώσσα προγραμματισμού FORTRAN. Τα παραπάνω χημικά είδη ενσωματώθηκαν στον λεπτομερή μηχανισμό χημικής κινητικής. Στη συνέχεια, ο ανεπτυχθής μηχανισμός χημικής κινητικής χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με το εμπορικό πακέτο CHEMKIN 4.1 με σκοπό την πιστοποίησή του σε φλόγες προανάμιξης διαφορετικών καυσίμων, μέσω της σύγκρισης των πειραματικών και των υπολογιστικών τιμών και για την μελέτη της χημικής δομή των φλογών και ιδιαίτερα την ταυτοποίηση των χημικών ειδών που σχετίζονται με τον σχηματισμό αιθάλης. Για τον σκοπό αυτό επιλύεται αριθμητικά μια στρωτή προαναμεμιγμένη φλόγα βενζολίου και με χρήση αλγοριθμικών εργαλείων παρουσιάζονται οι χημικές οδοί που οδηγούν από το καύσιμο στα τελικά προϊόντα της καύσης. Επιπλέον, προκειμένου να μελετηθούν φαινόμενα συνέργειας κατά την χρήση μιγμάτων καυσίμου και να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με την επίδραση της σύστασης στην αποδοτικότητα και την εκπομπή ρύπων ενός συστήματος καύσης επιλύονται αριθμητικά δύο φλόγες αερίων μιγμάτων (ακετυλενίου-βενζολίου και μεθανίου- βενζολίου) και συγκρίνονται με άλλες έξι φλόγες, των οποίων το καύσιμο είναι μόνο ένα από τα συστατικά του μίγματος. Η σύγκριση γίνεται με βάση την στοιχειομετρία των φλογών, ενώ επιχειρείται και συσχέτιση της δομής της φλόγας με την αναλογία C/O του καυσίμου. Από την παραπάνω ανάλυση προκύπτει ότι ο λεπτομερής μηχανισμός χημικής κινητικής που χρησιμοποιήθηκε αναπαράγει ικανοποιητικά τα βασικά χαρακτηριστικά της καύσης και προλέγει επιτυχώς τις συγκεντρώσεις βασικών σταθερών και ενδιάμεσων χημικών ειδών που προκύπτουν από την καύση. Επιπλέον, από αυτήν την ανάλυση δείχθηκε ότι δεν υπάρχει σαφής τάση που να συσχετίζει την σύσταση των καυσίμων με την μέγιστη συγκέντρωση των παραγόμενων χημικών ειδών καθώς και ότι η αναλογία C/O του καυσίμου συσχετίζεται λογαριθμικά με την μέγιστη συγκέντρωση του C2H2, γραμμικά με την μέγιστη συγκέντρωση των ενδιάμεσων χημικών ενώσεων π.χ. CO, H2, C3H4, ενώ δεν υπάρχει καμία συσχέτιση της αναλογίας C/O του καυσίμου με την μέγιστη συγκέντρωση των κύριων προϊόντων της καύσης CO2, H2Ο. Τέλος προέκυψε ότι η προσθήκη 20% βενζολίου αλλάζει εντελώς την χημική δομή της φλόγας μεθανίου, κάνοντάς την παρόμοια με την χημική δομή της φλόγας 100% βενζολίου. Η εργασία κλείνει με προτάσεις για περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη.

This thesis deals with the process of soot formation in practical systems of combustion as well as with the effect of the fuel composition on the efficiency and the pollutant emissions of a combustion system. Soot formation in a practical combustion system is undesirable because on the one hand it is the result of incomplete combustion and evidence of insufficient utilization of the thermal energy of the fuel; on the other hand, this poses an important environmental problem because it intensifies the greenhouse effect and it contributes to the overheating of the planet. In the first part of the thesis there is a detailed description of the phenomenology of soot as well as its formation processes and the factors which affect its production are mentioned. Furthermore, the mathematical relations which describe the creation and the destruction (oxidation) of soot are mentioned, and there is also a brief reference to the modeling of soot production in practical combustion systems. It becomes evident from studying the soot formation process that it strongly depends on the chemical structure of the flame. In order to study the correlation of the chemical structure of the flames of gas fuels with soot formation, a detailed mechanism of chemical kinetics is used. In this thesis, the need to use detailed chemistry for such applications is explained and the methodology of development and validation of chemical kinetics mechanisms is outlined. Then, the importance of thermochemistry in the modeling of the flames of gas fuels is explained. Furthermore, the process of calculating the thermodynamic properties of some chemical species with an important role in soot formation which are incorporated in the existing detailed kinetic mechanism is presented. In the chapters that follow, the numerical solution of laminar premixed flames of various fuels occurs in order to firstly, validate the used mechanism of chemical kinetics in various flames through the comparison of experimental and numerical values, secondly study the chemical structure of flames, and detect in particular the chemical species associated with soot formation and thirdly study the effect of the composition of the fuel on the chemical behavior of the flame. The necessity of the latter becomes evident from the fact that the practically used fuels are complex mixtures of hundreds of components and it should be noted that their composition varies depending on the country in which they are available as well as the oil refinery where they are produced. In order to study the synergistic effect in fuels and draw conclusions regarding the influence of the fuel composition on the chemical behavior of a combustion system, two flames of gas mixtures are solved numerically and compared to six other flames, of which the fuel is only one of the components of the mixture. The comparison is conducted on the basis of the stoichiometry of the flames, while there is also an attempt at correlating the structure of the flame with the C/O ratio of the fuel. Περίληψη (στα Αγγλικά) Αριθμός Σελίδων 150CD/DVD Φυσικό μέσο TXT Τύπος πόρου anna gazi.pdf Όνομα αρχείου Μέγεθος Αρχείου 3642338Παγκόσμια (ελεύθερη) Πρόσβαση Πολιτική Εξεταστική/Συμβουλευτική επιτροπή Ονοματεπώνυμο Τύπος Σχόλια

Φούντη Μαρία ADV Ρακόπουλος Κων/νος ADV Χουντάλας Δημ. ADV

Λέξεις-κλειδιά