سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

بررسی عددی اثر تشعشعی گاز عملگر بر رفتار حرارتی مشعل متخلخل تابشی

نویسندگان
محمدمهدی کشتکار 1
سید عبدالرضا گنجعلیخان نسب 2
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی واحد کرمان ،کرمان ، ایران
2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید باهنر کرمان،کرمان،ایران
چکیده
در کار صورت گرفته به بررسی عملکرد یک مشعل متخلخل تحت اثر یک گاز عملگر تشعشعی پرداخته می شود. مشعل های متخلخل براساس تبدیل انرژی بین آنتالپی گاز عبوری و تشعشع حرارتی عمل می کنند. در مطالعه حاضر فازهای گاز و جامد در حالت عدم تعادل حرارتی قرار دارند و احتراق در مشعل توسط یک ناحیه تولید حرارت با توزیع غیریکنواخت سهموی شبیه سازی می شود. از آنجا که محیط متخلخل یک جسم خاکستری درنظر گرفته می شود، علاوه بر تبادل حرارتی جابه جایی با گاز، قابلیت جذب، صدور و پخش تشعشع حرارتی را نیز دارد. به منظور تعیین دقیق تر رفتار حرارتی مشعل متخلخل، تشعشع گاز عبوری نیز درنظر گرفته شده و یک آنالیز تئوری در مختصات دوبعدی و با درنظرگرفتن هر سه نوع انتقال حرارت جابه جایی، هدایت و تشعشع در محیط متخلخل و جریان گاز صورت گرفته است. جهت یافتن توزیع شار حرارت تشعشعی در محیط متخلخل از روش جهت های مجزا استفاده شده است و سپس معادلات به هم پیوسته انرژی فازهای گاز و جامد به صورت همزمان در شرایط پایدار حل می شوند. در نهایت اثر تشعشع گاز عملگر بر عملکرد مشعل متخلخل تابشی بررسی شده است. به منظور صحت روش عددی در کار حاضر، نتایج به دست آمده با نتایج تئوری و تجربی محققان دیگر مقایسه شده است و تطابق خوبی مشاهده شده است.

تازه های تحقیق

یک مطالعه عددی انتقال حرارت در دامنه حل دوبعدی مستطیلی در یک مشعل متخلخل تابشی و با درنظر گرفتن اثر تشعشع گاز عملگر انجام شده است. با فرض عدم تعادل حرارتی بین فازهای گاز و جامد، معادلات انرژی جداگانه­ای مشخص شده و روش جهت­های مجزا جهت تعیین توزیع شار حرارتی تابشی به­کار گرفته شده است. احتراق با درنظرگرفتن یک ناحیه تولید حرارت غیریکنواخت سهموی در وسط لایه متخلخل مدل شده و مشاهدات زیر به­طور خلاصه از مطالعه حاضر حاصل شده است:

1ـ مقادیر کوچک­تر ضریب تشعشع گاز عملگر منجر به افزایش تابش خروجی از مشعل و افزایش راندمان می­شود. با بررسی نتایج مشاهده می­شود شدت تابش خروجی مشعل به سمت پایین­دست و بالادست جریان به­ترتیب در حالت گاز غیرتشعشعی برابر با 390 و 50 کیلووات بر مترمربع­اند، در حالی که این مقادیر در حالت گاز تشعشعی به­ترتیب به  280 و 30 کیلووات بر مترمربع کاهش می­یابند. همچنین، بررسی نتایج نشان­دهنده کاهش دمای بیشینه گاز از 480 به 420 درجه سانتی­گراداز حالت گاز غیرتشعشعی به گاز تشعشعی است.

2ـ مشاهده شد زمانی که مقدار متغیر بی­بعد  افزایش می­یابد، تشعشع خروجی و همچنین مقدار تلفات حرارتی از مشعل متخلخل تابشی کاهش می­یابد. با تغییر  از صفر تا 5/0=  شدت تابش خروجی مشعل به سمت پایین­دست از 380 به 140 کیلووات بر مترمربع و دمای بیشینه گاز از 460 به 360 درجه سانتی­گراد کاهش می­یابند.

3ـ نتایج محاسبات نشان می­دهد که استفاده از لایه­های متخلخل با ضخامت بیشتر و ضریب تشعشع گاز کمتر باعث افزایش تشعشع خروجی از مشعل و درنتیجه افزایش راندمان می­شود.

کلیدواژه‌ها
گاز عملگر تشعشعی
روش جهت های مجزا
مشعل متخلخل

عنوان مقاله English

Gas Radiation Effect on Thermal Characteristics of Porous Radiant Burner

نویسندگان English

Mohammad mehdi Keshtkar 1
Seyed Abdolreza Gandjalikhan Nassab 2
1 Faculty of Mechanical Engineering, Islamic Azad University, Kerman Branch, Kerman, Iran
2 Faculty of Mechanical Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
چکیده English

Thermal characteristics of a porous radiant burner (PRB) including gas radiation effects are identified in the present study. This system operates on the basis of effective energy conversion method between flowing gas enthalpy and thermal radiation. In the PRB, the gas and solid phases are considered in non-local thermal equilibrium and combustion is modeled by considering a non-uniform heat generation zone. The porous media as a gray body, in addition to its convective heat exchange with the gas, can absorb, emit and scatter thermal radiation. In order to accurately determine the thermal characteristics of PRB, the gas radiation is also taken into account and a theoretical analysis is conducted for a two dimensional model, where convection, conduction and radiation take place simultaneously in porous medium and gas flow. Discrete ordinates method is used to obtain the distribution of radiative heat flux in the porous media and the coupled energy equations for the gas and porous medium in steady condition are solved numerically. The crucial influence of gas radiation effect on the systemand#39;s performance is thoroughly explored. A comparison has been made between the present numerical results and those reported by other investigators to validate the simulation for the gas radiative effect.

کلیدواژه‌ها English

Porous radiant burner
2-D radiative field
Gas radiation
1.     I. Malico, X. Y. Zhou and J. C. F. Pereira, “Two Dimensional Numerical Study of Combustion and Pollutants in Porous Burner,” Combust.  Sci. and Tech, 152, 2000, pp. 57-79.
2.     T. C. Hayashi, I. Malico and J. C. F. Pereira, “Three-Dimensional Modeling of a Two-Layer Porous Burner for Household Applications,” J. Computers & Structures, 82, 2004, pp. 1543-1550.
3.     T. Takeno and K. Sato, “Heat Transfer Characteristics of Porous Radiant Burners,” Combust. Sci. Technol., 20, 1979, pp. 73-84.
4.     S. B. Sathe and T. W. Tong, “A Numerical Analysis of Heat Transfer and Combustion in Porous Radiant Burners,” Int. J. Heat Mass Transfer, 33, 1990, pp. 1331-1338.
5.     T.  Tong and S. Sathe, “Heat Transfer Characteristics of Porous Radiant Burners,” Trans. of ASME, J. Heat Transfer, 113, 1991, pp. 423-428.
6.     C. L. Hackert and J. L. Ellzey, “Combustion and Heat Transfer in Model Two-Dimensional Porous Burners,” J. Combustion and Flame, 116, 1999, pp. 177-185.
7.     G. Brenner, “Numerical and Experimental Investigation of Matrix–Stabilized Methane/Air Combustion in Porous Inert Media,” J. Combust. Flame, 123, 2000, pp. 201-213. 
8.     S. C. Mishra, “Heat Transfer Analysis of a Two Dimensional Rectangular Porous Radiant Burner,” J. Heat and Mass Transfer, 33, 2006, pp. 467-474.
9.     P. Talukdar, “Heat Transfer Characteristics of a Porous Radiant Burner under the Influence of a 2-D Radiation Field,” J. Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2003, pp. 1-11.
10.  P. Talukdar, “Heat Transfer Characteristics of a Porous Radiant Burner under the Influence of a 2-D Radiation Field”, J. Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, pp. 1-11, 2003.  
11.  I. Malico and J. C. F. Pereira, “Numerical Study on the Influence of Radiative Properties in Porous Media Combustion”, J. Heat Transfer, 123, 2001, pp. 951-957.
12.  M. M. Keshtkar and S. A. Gandgalikhan Nassab, “Theoretical Analysis of Porous Radiant Burners
   under 2-D Radiation Field using Discrete Ordinates Method,” J. Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 32, 2009, pp.117-125. 
13.  S. A. Gandjalikhan Nassab and M. Fallah, “Study of Energy Recovery by Means of Porous Media Considering Gas Radiation Effect,” Proc. Instn. Mech. Engrs, part A: J. Power and Energy, 220, 2006, pp. 509-513. 
14.  S. A. Gandjalikhan Nassab and M. Maramisaran, “Transient Numerical Analysis of a Multi-Layered Porous Heat Exchanger Including Gas Radiation Effect”, J. Thermal Sciences, 48, 2009, pp. 1586-1595.
15.  M. F. Modest, Radiative Heat Transfer, McGraw-Hill, New York, USA, 1993.
16.  C. Ben Kheder, B. Cherif and M. S. Sifaaoui, “Numerical Study of Transient Heat Transfer in Semitransparent Porous Medium”, J. Renewable energy, 27, 2002, pp. 543-560.
17.  G. Oladed, Etude theorique et experimental du chaffage d’ un gas s’ ecoulant a travers un materiau poreux soumis au rayonnement solaire concentre, PhD thesis, University of Perpignan, France, 1981.
18.  S. A. Gandjalikhan Nassab and M. Fallah, “Study of Energy Recovery by Means of Porous Media Considering Gas Radiation Effect,” J. Power and Energt-Part A, 220, 2006, pp. 509-513.