Cercetari experimentale, modelari numerice si prelucrari statistice

CERCETARI EXPERIMENTALE, MODELARI NUMERICE SI PRELUCRARI STATISTICE

1 Instalatia experimentala

Cercetarile experimentale au fost efectuate la U.P.B., in laboratorul de arderea combustibilului gazos al catedrei de echipament termic si nuclear. Instalatia contine un ventilator (fig.1) montat la unul din capetele unui tronson cu sectiune dreptunghiulara, prevazut la al doilea capat cu doua stuturi (1 si 2) pentru masurarea debitului de aer produs de ventilator si un corp cilindric pentru fixarea in interior a arzatoarelor.

Fig. 1 Instalatie experimentala

Fig. 3 Arzatoare utilizate pentru studiul stabilitatii flacarilor difuzive

2 Schema arzatorului

Aerul provine de la un ventilator sau de la un compresor atasat instalatiei experimentale. Caracteristicile ventilatorului sunt:

P = 20 W, n = 1900 rot/min., = 200 mm H₂O.

Pentru analiza stabilitatii flacarii la actiunea laterala a unui jet de aer, provenit de la compresor, se fixeaza in dreptul arzatorului un ajutaj cu sectiunea dreptunghiulara 27 4 . Pentru fiecare tip de arzator au fost efectuate, pentru diferite debite de gaz metan si aer, masurari pentru urmatoarele marimi:

debitul de gaz metan;

- temperatura gazului metan;

- presiunea gazului metan;

- debitul de aer;

- temperatura aerului;

- presiunea aerului;

- lungimea flacarii;

- lungimea de acrosare a flacarii;

- debitul de gaz metan la care flacara s-a rupt.

Diametrul de iesire al aerului insotitor

Fig. 4 Schema cu pozitia duzei

Debitele de gaz metan au fost determinate cu ajutorul unui rotametru etalonat pentru aer la temperatura de 10° C si presiune normala.

Experimentarile au fost efectuate pentru flacari deschise.

Presiunea si temperatura gazului metan in timpul experimentelor:

3.1 Diametrul duzei - ardere fara aer

►

Fig. 6 Lungimile flacarilor la ardere fara aer prin duza

Valorile medii pentru

Polinoame de regresie pentru lungimea flacarilor difuzive la fara aer principal. Program in Mathcad

lungimea flacarilor difuzive (), rezulta:

Fig. 8.1 Polinom de regresie pentru lungimea flacarilor difuzive ()

lungimea flacarilor difuziv cinetice (), rezulta:

Fig. 8.2 Polinom de regresie pentru lungimea flacarilor difuzive ()

lungimea flacarilor difuzive, partial cinetice (), rezulta:

Fig. 8.3. Polinom de regresie pentru lungimea flacarilor difuzive ()

3.4 Analiza datelor experimentale la arderea difuziva (h = 0). Stabilirea a doua criterii de similitudine

Prin analiza dimensionala se stabilesc doua criterii de similitudine pentru lungimea flacarilor difuzive:

, . (1)

Valorile numerice ale criteriilor de similitudine se obtin cu datele din matricea Data1 sub forma:

unde pe coloanele 1,2,3 sunt valorile numerice ale criteriilor si , care dupa medierea aritmetica, devin

, respectiv . (2)

Lungimile flacarilor difuzive se pot calcula cu relatiile:

, respectiv ,                     (3)

unde este diametrul duzei.

4.1 Diametrul duzei - ardere cu aer de la ventilator

►

Fig. 10 Lungimile flacarilor la ardere cu aer axial de la ventilator prin duza

Valorile medii pentru . Aer de la ventilator

5 Stabilitatea flacarilor in aer liber la actiunea jetului de aer lateral

Fig. 12 Flacara cu jet lateral de aerFig. 13 Flacara instabila cu jet lateral de aer

5.1 Flacara fara aer principal si cu jet lateral de aer

6 Modelari numerice

Se considera cazul arderii gazului metan intr-o instalatie schematizata in figura 14. Conducta de gaz metan are un diametru exterior de 10 mm si unul interior de 7 mm. Diametrul duzei este de 5 mm. Conducta aerului principal are un diametru interior de 20 de mm si unul exterior de 24 mm, fiind coaxiala cu

Fig. 14 Modul de intrare a gazului metan si a aerului in domeniu

Procesele chimice, curgerea gazelor si geometria prezinta acelasi plan de simetrie (prezentat in figura 15 cu galben). Domeniul de analiza si impartirea in celule tetraedrale sunt prezentate in figura 15. In figura sunt reprezentate fetele celulelor de pe suprafetele domeniului astfel: Cu galben fetele de pe planul de simetrie, cu rosu fetele de pe suprafata de iesiere din domeniu, cu negru fetele de pe suprafetele considerate pereti, iar cu albastru fetele de pe suprafetele de intrare in domeniu a gazului metan si a aerului. Domeniul este completat prin simetrie.

Se determina numeric patru cazuri:

1.     duza este la nivelul conductei de aer principal (h = 0), se alimenteaza cu aer primar (caz 1)

2.     duza este la nivelul conductei de aer principal (h = 0), se alimenteaza cu aer secundar (caz 2)

3.     duza este la h = 25 mm sub iesirea conductei de aer principal, se alimenteaza cu aer primar (caz 3)

4.     duza este la h = 25 mm sub iesirea conductei de aer principal, se alimenteaza cu aer secundar (caz 4)

Debitul de gaz este de 0,7 Nm³/h, iar cel de aer primar sau secundar este de 7 Nm³/h. Aceasta corespunde unei viteze medii de 5.05 m/s a gazului in conducta, unei viteze medii de 8.25 m/s a aerului principal si unei viteze medii de 17,36 m/s a aerului secundar.         Caldurile specifice ale componentelor de reactie se considera variabile cu temperatura absoluta, legile de variatie fiind functii polinomiale de gradul 4.

Regimul de curgere se considera turbulent, modelul de turbulenta ales fiind k - e. Fenomenul de ardere este considerat stationar. Pentru modelarea arderii s-a considerat o ardere volumetrica, modelul ales fiind cel de disipare a vartejurilor.

Fig. 15 Impartirea cu celule a domeniului

2 Cazul 1

Viteza medie de intrare a gazului este de 5,05 m/s. Viteza de intrare a aerului principal este de 8.25 m/s. Viteza aerului secundar este 0 m/s. Duza este pozitionata la capatul galeriei aerului principal.

In urma determinarilor a rezultat o variatie a campului temperaturilor pe planul de simetrie, prezentat in figura 16 si o variatie a campului vitezelor in planul de simetrie prezentata in figura 17.

In figurile 18, 19, 20 si 21 sunt prezentate campurile de fractii masice ale speciilor , , si .

Fig. 16 Temperatura pe planul de simetrie Fig. 17 Viteza pe planul de simetrie

Fig. 18 Concentratia de Fig. 19 Concentratia de

Fig. 20 Concentratia de Fig. 21 Concentratia de

In figurile 24 si 24 sunt prezentate variatiile temperaturii si ale vitezei in lungul axei oy.

a) b)

c) d)

Fig. 23 Distributia vitezei de reactie kmol/sec pe planul de simetrie

a)     la suprafata duzei; b) la 20 mm de suprafata duzei

c) la 40 mm de suprafata duzei; d) la 60 mm de suprafata duzei;

Fig. 24 Variatia temperaturii Fig. 25 Variatia vitezei

CAPITOLUL 7

CONCLUZII SI CONTRIBUTII

7.1 Concluzii

Dintre caracteristicile flacarilor difuzive, o importanta deosebita, pentru buna desfasurare a proceselor tehnologice, o prezinta cele legate de lungimea, stabilitatea si radiatia flacarilor.

Flacarile combustibililor gazosi au un coeficient de emisie a radiatiei termice foarte scazut, el datorandu-se numai gazelor triatomice, ceea ce impune ca in cazul folosirii arderii combustibilor gazosi in instalatii, la care procesul tehnologic solicita un transfer de caldura preponderent prin radiatie, este necesar a se trece la carburarea flacarii, fie prin aport de combustibil lichid (pacura) sau prin autocarburare.

Caracteristicile flacarilor difuzive din spatii finite (lungime, stabilitate si radiatie), vor depinde, atat de debitul de gaze recirculate, cat si de lungimea zonei de recirculare, care la randul lor sunt puternic influentate de parametrul aerodinamic si geometric al celor doua jeturi, cat si de caracteristicile geometrice ale ansamblului camera de ardere - jeturi.

Pentru studiul caracteristicilor flacarilor difuzive din spatii finite, este necesar a se lua in considerare nu numai arzatorul propriu-zis, ci intregul ansamblu arzator-camera de ardere, deoarece, cu acelasi arzator se pot realiza flacari cu caracteristici diferite in functie de dimensiunile si geometria camerei de ardere. Toate acestea conduc la concluzia ca, pentru a putea determina caracteristicile flacarilor difuziv turbulente, atat in cazul jeturilor libere, cat si in cazul flacarilor in jeturi din spatii finite, este necesar a cunoaste influenta diferitilor factori asupra procesului de amestecare dintre cele doua jeturi, putand astfel dirija acest proces, astfel incat sa se obtina flacari cu caracteristici impuse de necesitatile proceselor tehnologice.

In cazul flacarilor difuzive din spatii finite, fenomenul de recirculare externa a gazelor de ardere, prin debitul de gaze recirculate, catre baza flacarii, conduce la vicierea amestecului de gaze combustibile-aer, din incinta focarului, ceea ce conduce pentru aceleasi conditii initiale ale jetului de gaze combustibile, la o crestere a lungimii flacarii, fata de cea a flacarii in jet liber de gaze. In ceea ce priveste marimea acestei cresteri, parerile diversilor cercetatori sunt impartite.

Debitul de gaze recirculate extern au doua efecte asupra procesului de ardere, unul pozitiv benefic, prin aceea ca aduce un aport de caldura in zona amestecului combustibil-aer, ceea ce face ca viteza de propagare a frontului de flacari sa creasca, iar cel de al doilea negativ, deoarece gazele de ardere viciaza amestecul proaspat combustibil-aer, ducandu-l spre concentratii mai mici, deci spre viteze de ardere mai mici, sau chiar scotandu-l in afara limitelor de ardere.

Debitul de gaze de ardere, depinde de un parametru numit parametru de recirculare, care are expresia:

in care: C_ este concentratia amestecului total intre debitul de combustibil m₀₁ si debitul de aer m₀₂; r₀ - raza duzei de iesire a jetului de gaze combustibile; = densitatea initiala a gazelor combustibile, la intrare in incinta de ardere. = densitatea gazelor de ardere la temperatura flacarii; L - raza echivalenta a camerei de ardere.

Este de remarcat faptul ca, in cazul instalatiilor de ardere care utilizeaza combustibili superiori, adica, cu putere calorica mare, debitul de gaze recirculate extern este mult mai mic, decat in cazul utilizarii combustibililor inferiori, acest lucru putand fi explicat prin aceea ca, in cazul combustibililor superiori aerul necesar arderii unui kilogram de combustibil este mult mai mare decat cel necesar pentru un kilogram de combustibil inferior, astfel ca, lungimea necesara difuziei jetului de aer in jetul de combustibil pentru combustibilul superior este mai mare, ceea ce face ca lungimea zonei de recirculare externa a gazelor de ardere sa fie mai mica, iar in unele cazuri inexistenta, cazuri in care pentru lungimea si stabilitatea flacarilor se poate utiliza teoria jeturilor turbulente libere.

Un prim domeniu de flacara stabila este acela la care flacara este amorsata direct pe conturul sectiunii de iesire a arzatorului, unde se indeplinesc conditiile necesare stabilirii unui front de flacara, adica egalitatea vitezei de propagare a frontului de flacara cu cea a jetului de gaze, precum si absorbtia de catre jet a unei cantitati de aer, necesara realizarii unei concentratii la care procesul poate avea loc.

Un alt domeniu de ardere stabila este cel al flacarilor difuzive, asa zise "suspendate", la care flacara se amorseaza stabil la o anumita distanta de gura de iesire a jetului din arzator, adica la o distanta la care se realizeaza egalitatea dintre viteza de curgere si viteza turbulenta de propagare a frontului de flacara.

In afara de aceste doua domenii de ardere stabila, exista un domeniu la care flacara nu mai este stabila in nici o zona a jetului. Viteza initiala a jetului de gaze combustibile, la care apare acest domeniu, este cunoscut in literatura de specialitate, ca viteza de rupere a flacarii.

Jeturile turbulente pot fi clasificate in doua grupe mari:

• Jeturi turbulete libere:

cu viteza ambianta nula (u₂ = 0);

cu viteza ambianta constanta (u₂ = const.);

cu viteza ambianta variabila (u₂ = variabil).

• Jeturi turbulente marginite

cu viteza ambianta constanta (u₂ = constant);

cu viteza ambianta variabila (u₂ = variabil).

Pentru determinarea schimbului de masa si de caldura, se stabilesc functiile universale ale distributiei vitezelor, concentratiilor si temperaturilor in zona de baza a jetului, care au expresiile:

Variatia vitezei pe axa jetului in conditiile:

» viteza principala: u01 , viteza secundara: u02 = 2 are urmatoarea reprezentare grafica:

Pentru valori (unde u_m reprezinta viteza pe axa jetului), grosimea stratului limita al jetului creste proportional cu distanta (x + p) de la sectiunea de iesire a ajutajului, iar viteza scade proportional cu (x + p)^-1, (unde p reprezinta distanta intre polul jetului si sectiunea de iesire a ajutajului). Cand insa atunci grosimea jetului creste proportional cu (x+ p)^2/3, iar viteza pe axa se micsoreaza cu (x + p)^-2/3, deci jetul va fi mai ingust si vitezele vor scadea mai incet in lungul jetului, decat pentru cazul .

Domeniul de stabilitate este cuprins intre u₀₁ = 0 si u₀₁ = u_0r. Pe masura ce viteza curentului de aer insotitor creste valoarea scade, iar valoarea creste, domeniul de stabilitate ingustandu-se: in conformitate cu reprezentarea:

Aerul chimic necesar pentru arderea combustibilului, ca si compozitia produsilor arderii se stabilesc pe baza ecuatiei care exprima global reactiile de oxidare a combustibilului, respectandu-se principiul conservarii masei pentru fiecare dintre elementele reactantilor. Daca combustibilul este o hidrocarbura cu compozitia generata C_mH_n reactia globala de oxidare completa are forma:

in care: coeficientii stoichiometrici (1, a, b, c) sunt exprimati in moli.

Conservarea masei pentru carbon se exprima prin conditia b = m, iar pentru hidrogen prin conditia c = n/2; in fine, conservarea masei oxigenului impune conditia a = m + n/5.

Pentru verificarea relatiilor analitice, referitoare la lungimea si stabilitatea flacarilor difuziv turbulente ale combustibililor gazosi, in jeturi libere s-au efectuat cercetari experimentale pe flacari difuzive de gaz metan, in laboratorul Catedrei de Echipament termomecanic clasic si nuclear din Universitatea Politehnica Bucuresti. Pentru fiecare tip de arzator au fost efectuate masurari pentru:

- debitul de gaz metan;

- temperatura gazului metan;

- presiunea gazului metan;

- debitul de aer;

- temperatura aerului;

- presiunea aerului;

- lungimea flacarii;

- lungimea de acrosare a flacarii;

- debitul de gaz metan la care flacara s-a rupt.

Diametrul de iesire al aerului insotitor

7.2 Contributii

Activitatea de cercetare stiintifica efectuata de autorul tezei de doctorat pentru realizarea temei: "Contributii la studiul stabilitatii flacarilor de gaze combustibile in jeturi turbulente" s-a concretizat prin urmatoarele contributii originale:

► Proiectarea si experimentarea a patru arzatoare pentru flacari axial simetrice cu posibilitatea de ardere difuziva si ardere mixta difuziv - cinetica.

► Program detaliat de efectuare a cercetarilor experimentale pentru analiza stabilitatii flacarilor axial simetrice. difuziv turbulente si difuziv-cinetice turbulente. Instalatia experimentala utilizata a permis analiza stabilitatii flacarilor axial simetrice la actiunea laterala a unui jet de aer.

► Evidentierea comparatiei intre parametrii viteza, temperatura si concentratie, in functie de diametrul canalelor duzelor.

► Modelarea numerica a flacarilor difuziv turbulente axial simetrice.

Regimul de curgere se considera turbulent, modelul de turbulenta ales fiind k-e. Fenomenul de ardere este considerat stationar.

Nu se tine cont de forta gravitationala. Caldurile specifice ale componentelor de reactie se considera variabile cu temperatura absoluta.

In urma analizei cu programul Fluent, a rezultat distributia de viteze rezultante, campul de temperaturi si concentratiile masice ale componentelor reactiei.

►Modelarea numerica cu metoda volumului finit a unei configuratii cu trei duze cu axele paralele in acelasi plan.

S-au determinat campurile de viteze, de temperaturi si de fractii masice pentru , , si .

► Modelarea numerica cu metoda volumului finit a influentei unui jet lateral de aer asupra caracteristicilor unei flacari difuzive axial simetrice.

► Analiza influentei fluctuatiilor turbulentei asupra vitezei de propagare a flacarilor amestecurilor omogene combustibil - aer.

Viteza de propagare a flacarilor turbulente se exprima sub forma , unde: reprezinta fluctuatiile, viteza in regim laminar.

Pentru si vitezele de propagare ale flacarilor laminare, notate corespunzator cu indicii 1() respectiv 2() se determina din datele experimentale prin interpolare cubica spline.

►Utilizarea metodei modelarii fractiei de amestec / PDF ( Probability Density Functions) in studiul arderii difuzive a combustibililor gazosi.

Valorilor numerice pentru si in functie de se obtin cu urmatorul algoritm:

► Aplicarea ajustarii polinomiale la prelucrarea rezultatelor experimentale obtinute la arderea difuziva si difuziv - cinetica a combustibililor gazosi. Pentru flacari axial simetrice provenite din arderea in atmosfera libera, prin aplicarea metodei celor mai mici patrate, au fost obtinute polinoamele:

• ;
• ;
• ,

► Obtinerea functiilor de ajustare:

- functia care determina influenta distantei x (in lungul axei jetului) asupra integralelor K₁₁ si ( si

- determinarea ecuatiei de regresie

- functia de regresie polinomiala de gradul trei pentru determinarea variatiei vitezei u02 in in raport cu viteza de rupere u01r:

► Calculul limitelor de stabilitate ale flacarii intr-un cuptor rotativ, la care aerul se introduce prin intreaga sectiune a cuptorului, iar gazul combustibil (gaze naturale se introduce la temperatura de 0° C printr-o conducta cu diametrul interior D1 = 40 mm.

Sarcina termica nominala a cuptorului:

Viteza medie a curentului de aer in cuptor:

►Determinarea unghiului () de intoarcere a flacarii axial simetrice supusa actiunii unui jet de aer lateral:

,

unde indicele "al" se refera la aerul lateral iar "g" reprezinta gazul ; Q este debitul (), este densitatea (), u exprima viteza (), reprezinta unghiul fata de verticala a directiei vitezei aerului lateral iar este unghiul fata de verticala a directiei vitezei flacarii rezultate.

► Determinarea functiilor de interpolare ale constantelor de echilibru, in functie de temperatura, pentru substantele: H, OH, , O, N si .

Functiile de interpolare se exprima prin relatiile:

si permit calculul valorilor logaritmate ale constantelor de echilibru.

Pentru determinarea constantelor de echilibru se aplica relatiile:

► Determinarea prin analiza dimensionala a doua criterii de similitudine pentru lungimea flacarilor difuzive. Lungimile flacarilor difuzive se pot calcula cu relatiile:

, respectiv ,                    

unde este diametrul duzei, , respectiv .

Rezultatele obtinute in teza de doctorat sunt utile in analiza stabilitatii flacarilor difuziv turbulente axial simetrice.

In domeniul arderii difuzive a combustibililor gazosi se pot dezvolta urmatoarele cercetari:

- modelarea proceselor termogazodinamice legate de dezvoltarea flacarii unui arzator complex intr-un spatiu impus;

- dimensionarea arzatorului, partea difuziva si partea de preamestec aer-combustibil gazos, pentru diferite regimuri de functionare;

- cercetari experimentale cu determinarea caracteristicilor termogazodinamice ale flacarii si a emisiilor poluante de NOx si CO;

- realizarea unor flacari difuzive cu anumite caracteristici care sa satisfaca cerintele diferitelor procese tehnologice, pe baza cunoasterii factorilor fizici, chimici si geometrici care influenteaza asupra caracteristicilor flacarilor combustibililor gazosi;

BIBLIOGRAFIE