انتقال حرارت جرم ناپایدار احتراق گاز بخار

انتقال حرارت جرم ناپایدار احتراق گاز بخار – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه  مکانیک

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

انتقال حرارت و جرم ناپایدار در احتراق مخلوط گاز و بخار توسط ذره داغ متحرک

چکیده

فرآیندهای انتقال حرارت و جرم در احتراق مخلوط هوا و بخارات مایع محترقه، بوسیله یک ذره فلزی متحرک ، قرار گرفته تحت حرارت تا دمای بالا ، به صورت عددی مورد بررسی و تحقیق قرار میگیرد. تحقیق بر اساس مدل احتراق فاز گازی صورت میگیرد و در آن، فرآیند: هدایت حرارتی، تبخیر مایع، انتشار و هدایت بخارات سوخت در محیط اکسیدان، کریستالیزه شدن منبع گرمایی، انرژی جنبشی در تبخیر و احتراق، روابط خصوصیات ترمو فیزیکی مواد درگیر در واکنش، نسبت به درجه حرارت، رطوبت و حرکت منبع حرارتی در مخلوط بخار و گاز، مورد نظر قرار داده میشود. روابط مشخصات اصلی فرآیند مورد تحقیق- تاخیر زمانی احتراق نسبت به شدت حرکت ذره، رطوبت هوا و درجه حرارت، فاصله بین منبع حرارتی و سطح مایع، درجه حرارت اولیه و اندازه ذره نیز تعیین میگردد.

کلمات کلیدی: انتقال حرارت و جرم- مایع- ذره داغ شده- مخلوط بخار و گاز- کریستالیزه شدن- تبخیر- انتشار- همرفت- احتراق

انتقال حرارت جرم ناپایدار احتراق گاز بخار

۱- مقدمه

میدانیم کلیه مایعات در فاز گازی میسوزند[۱]. منطقه احتراق میتواند بسته به نوع منبع گرمایی و شرایط محیطی درفواصل مختلفی  نسبت به سطح تبخیر قرار داشته باشد. شش مکانیزم ممکن در مورد تامین انرژی، در احتراق مواد جامد شناخته شده است[۲]؛ که آنها مشخصه ای برای مایعات محترقه نیز میباشند. کمترین مطالعه، در زمینه گرمایش توسط ذرات فلز مجزای داغ و گرمایش بدون ذره فلزی داغ، که در واکنش با مایعات و بخارات مایع، منابع احتراق محلی می باشند، به عمل آمده است. مراحل گرمایش، تبخیر، احتراق و سوختن مواد مایع، به طور سنتی بر مبنای قطرات مجزا مورد بررسی قرار میگیرند[۳-۱۰]. برای تجزیه و تحلیل این فرآیندها، اغلب مدل جنبشی استفاده می شود[۱۰،۳-۶]. اما، تحقیق در مورد فرایندهای احتراقی مایعات در ظروف و در سطوح گسترده، که توسط ذرات مجزای داغ شده محترق شده اند، با استفاده از مدل های جنبشی معروف بر مبنای مثالهای قطرات مجزای مایع، بسیار دشوار می باشد. در این راستا، نتایج رفرنس[۱۱] نشان میدهد که مکانیزم فرآیندهای آتش گیری و سوختن مواد کندانس شده مختلف، عمدتا رفتارهای بر اساس فرآیندهای انتقال حرارت و جرم دارند. رفتار خاص این فرآیند انتقال حرارت و جرم، در مدل جنبشی، به طور کلی در نظر گرفته نشده است.

هدف این تحقیق، بررسی عددی قانونمندی های اساسی فرآیندهای انتقال حرارت و جرم در احتراق مخلوط هوا و بخار سوخت، توسط ذره فلزی داغ شده تا حرارت بالا، بر مبنای مدلی که فرآیندهای انتقال حرارت ، تبخیر مایع، انتشار و همرفت بخارات سوخت در محیط اکسیدان، کریستالیزه شدن منبع گرمایی، بررسی حرکتی تبخیر و احتراق، روابط بین مشخصه های ترموفیزیکی مواد واکنش دهنده و حرارت، رطوبت هوا و حرکت منبع گرمایش در مخلوط بخار و گاز را مد نظر داشته باشد، است.

فهرست علائم و اختصارات

A   ضریب تطبیق

C   گرمای ویژه، J/kg K

C_g   غلظت جرم بخار سوخت در مخلوط گاز و بخار

C_o   غلظت جرم اکسیدان در مخلوط گاز و بخار

C_w   غلظت جرم بخار آب در مخلوط گاز و بخار

C_w0 غلظت جرم اولیه بخار آب، در هوا

E   انرژی فعال کننده، J/mol

F₀   عدد فوریه

g_y   شتاب ثقل روی محور y،m/s²

Gr   عدد گراشف

H, L  اندازه های منطقه محلول روی محور های x  و y

h_ch, l_ch ابعاد ذره روی محورهای x و y، m

H_ch, L_ch    پارامترهای بدون بعد مشابه  h_ch, l_ch

L_chliq فاصله بین ذره و مرز تبخیر- بدون ابعاد

k₀   ضریب پیش نمادین(preexponential factor)، ۱/s

m1,m2     مقادیر ثابت

M   جرم مولکولی مایع، kg/kmol

P   فشار بخارات بالای سطح مایع، N/m2

Pⁿ   فشار بخارات اشباع،  N/m2      

Pr   عدد پراندل

Q_cr  گرمای تبلور منبع گرمایی، J/kg

Q_o   گرمای واکنش اکسیداسیون بخارات سوخت در هوا، J/kg

R   ثابت مطلق گازها، J/mol K

Re   عدد رینولدز

Sh   عدد استروبال

Sc   عدد اشمیت

Sr1, Sr2, Sr3 کمپلکس های بدون ابعاد

T    درجه حرارت، K

ΔT   درجه حرارت اختلافی (دیفرانسیل)،  (Δt=Tm-To), K

T_m   اندازه درجه حرارت، K

T₀   دمای اولیه مایع، K

T_ch   دمای اولیه ذره، K

T_cr   دمای ذوب ذره، K

 T_okr  دمای اولیه هوا، K

T_p     دمای _{سطح مایع،} K

t_z      تاخیر زمانی احتراق، s

t_m   مقیاس زمانی، s

Δt   گام زمانی، s

u, v  سرعت بخار سوخت، تصویر روی محور xها، m/s

U, V  معادل غیر ابعادی uوv

u_ch   سرعت حرکت ذره، m/s

U_ch  معادل غیر ابعادی uch، m/s

U_m   مقدار سرعت حرکت ذره، m/s

V_cr   سرعت خطی تبلور منبع گرمایش، m/s

V_m   مقدار سرعت همرفت، m/s

W_cr  سرعت جرمی تبلور ذره، kg/m2s

W_e   سرعت جرمی تبخیر مایع، kg/m²s

W_o   سرعت جرمی اکسیداسیون بخارات سوخت در هوا، kg/m³c

X, Y  مختصات بدون ابعاد

علائم یونانی

Θ   درجه حرارت بدون بعد

Ψ   تابع جریان بدون بعد

Ω   گردباد سرعت بدون بعد

β   ضریب انبساط جامد، K-1

δ(x,y,z,t+Δt), δ(x,y,z,t) فواصل بین مرز پائینی ذره تا آستانه تبلوردر زمانهای t و (t+ Δt)، m

λ    هدایت گرمایی، W/m K

ρ    چگالی، kg/m3

τ    زمان بدون واحد

φ    نسبت حجمی اجزای مخلوط بخار و گاز

پسوند ها

۱    مخلوط گاز و بخار

۲    ذره     

۳    مایع

۱۱   هوا

۱۲   بخارات آب

۱۳   بخارات سوخت

انتقال حرارت جرم ناپایدار احتراق گاز بخار

۲- طرح مسئله

سیستم “مخلوط بخار و گاز- ذره – مایع قابل احتراق” در نظر گرفته شد.(شکل ۱). ذره فلز مذاب که پوسته ای از مواد منجمد آنرا در بر گرفته به عنوان منبع حرارتی استفاده شد. تحقیق بر پایه فرآیند احتراق مخلوط هوا و بخارات سوخت که از لایه سطحی مایع سوخت – بنزین، بالا میرود  انجام گردید.

در مدل عددی فرضیات زیر در نظر گرفته شد:

• مشخصات ماده حاصل از تبخیر معلوم می باشد. ( این فرضیه به طور سنتی برای حل مسائل احتراق برای مواد مختلف حاصل از میعان در نظر گرفته می شود.)[۱۱,۱۵]

• فرآیند احتمالی سوختن مایع در نظر گرفته نمیشود. فرض بر این است که لایه مایع دارای حجم کافی است.

• منبع گرمایی که به صورت متوازی السطوح میباشد، یکی از اندازه های آن، کاملاً از دو اندازه دیگر بزرگتر است. در این مورد، انتقال حرارت در مختصات سوم به طور تصادفی بر فرآیندهای احتراق در سیستم مورد مطالعه تاثیر می گذارد.

منبع گرمایی در مخلوط بخار و گاز با سرعت ثابت U_ch در عرض سطح تبخیر مایع حرکت میکند.

انتقال حرارت جرم ناپایدار احتراق گاز بخار

۳- فرمولاسیون ریاضی مسئله

مدل ریاضی انتقال گرما و جرم در احتراق مخلوط بخار و هوا، توسط یک ذره متحرک که تا دمای بالا گرم شده (شکل ۱ را ببینید)، با متغییر های بدون بعد، شکل زیر را به خود می گیرد[۱۶,۱۸] ( _zτ≤ τ≤ ۰):

انتقال حرارت جرم ناپایدار احتراق گاز بخار

۴- پروسه حل مسئله

سیستم معادلات (۱)-(۸) را با شرایط اولیه و شرایط مرزی عنوان شده، با متد اختلاف محدود(finite difference) [21] حل نمودیم. متد تک بعدی محلی [۲۱]، برای حل تشابه های اختلافی معادلات دیفرانسیل، به کار گرفته شد. تشابه های اختلافی غیر خطی معادلات دیفرانسیل به روش تکرار حل گردید[۲۲]. برای حل معادلات اختلافی یک بعدی، از متد روبش (sweep method) و استفاده از رویه اختلافی چهارنقطه ای مطلق (four-dot difference scheme)بهره گرفته شد.

برای بالا بردن دقت و کوتاه کردن راه حل، مرحله زمانی غیر یکنواخت (از۱x10^-4 s تا ۱x10^-6 s ) به کار رفت. محاسبات در مختصات شبکه ای قابل انعطاف انجام شد.

انتقال حرارت جرم ناپایدار احتراق گاز بخار

۵- نتایج و بحث

بررسی عددی فرآیندهای انتقال جرم و حرارت در سیستم مورد مطالعه(شکل ۱) با مقادیر مشخصه های زیر از مواد در گیر در واکنش انجام گردید[۲۳-۲۷]:

مشخصه های ترموفیزیکی بنزین مایع و بخارات آن، ذره فولادی، هوا و بخارات آب وابسته به دما، در مرجع [۲۵-۲۷] داده شده است.

میدان دمائی و ایزوترم ها، در لحظه احتراق، در سیستم مورد مطالعه، در شکل ۲ به عنوان نمایش نتایج نهایی بررسی، نشان داده شده اند. بدیهی است ناحیه احتراق، در تماس نزدیک با منبع حرارتی نمیباشد و نباید چنین فرضی داشت. این ناحیه از منبع حرارتی دور است. نتیجه حاصله در اثر حرکت یک ذره “داغ” تعیین میگردد. مقادیر دمای مخلوط و غلظت سوخت کافی برای وقوع احتراق در فاصله زمانی بسیار کوتاه تماس حرارتی بین ذره و مخلوط بخار و گاز حاصل میگردد.

انتقال حرارت و جرم ناپایدار احتراق گاز و بخار

۶- نتیجه گیری

در نتیجه تجزیه و تحلیل عددی تحقیقات فرآیند انتقال حرارت و جرم، نتایج زیر قابل تایید است:

• مدل فاز گازی احتراق مخلوط بخار و گاز فرموله شده، نتیجه گیری های عددی از مجموعه های مشکل فرآیند انتقال حرارت و جرم در میدان گازی حول ذره گرم شده تا دمای بالا را میسر ساخته است.

• در تمایز با فرآیندهای انتقال حرارت و جرم در مورد احتراق مایعات به وسیله ذرات “داغ” واقع شده در سطوح آن[۱۲-۱۳]، شدت فرآیندهای مشابه برای مخلوط های بخار سوخت و هوا با منبع حرارتی متحرک، به وسیله مقدار انرژی ذره، شرایط محیط(Θ _okr,C_w0 ) و سرعت حرکت، تعریف می گردد.