دانلود پروژه رشته برق در مورد احتراق ذرات – قسمت دوم

دانلود پایان نامه

-3-13- حدود اشتعال

منظور از حدود اشتعال این است كه بدانیم حد ایجاد اشتعال كجا بوده و در چه ناحیه‌ای از غلظت، شعله نداریم. علاوه بر این از شعله اضافی یعنی بالاتر از حد اشتعال جلوگیری كرده، چرا كه اگر مثلاً كارخانه ای در فضای پایین تر از حد اشتعال باشد ایمن می باشد. شكل (1-12) حدود اشتعال را در احتراق ذرات آ‌لومینیوم در مخلوطی از اكسیژن- نیتروژن نشان می دهد.

نکته مهم : برای استفاده از متن کامل تحقیق یا مقاله می توانید فایل ارجینال آن را از پایین صفحه دانلود کنید. سایت ما حاوی تعداد بسیار زیادی مقاله و تحقیق دانشگاهی در رشته های مختلف است که می توانید آن ها را به رایگان دانلود کنید

فصل دوم

بررسی رفتار احتراقی ذرات ریز فلزی

2-1- مقایسه انتشار شعله در ابر ذرات بور، آلومینیوم، منیزیم، زیركونیم و آهن [   ]

كاری كه توسط آقایان Shevchuk، Boychuk، Goroshin و Kostyshin در دانشگاه ایالتی ارسا انجام شده، در زمینه انتشار شعله در ابر ذرات فلزی مختلف با اندازه‌های مشابه می باشد. ذیلاً شرحی از كار ایشان و نتایج بدست آمده مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در این آزمایشات دو مسئله حائز اهمیت می باشد؛ اول بررسی شرایط لازم جهت انتشار شعله در ابر ذرات بود و مسئله دوم مقایسه سرعت شعله بین فلزات مختلف در شرایط یكسان.

این مقایسات باید بر مبنای سرعت سوزش انجام شود چرا كه ابر ذرات مختلف نه تنها ممكن است در میزان سرعت انتشار متفاوت باشند بلكه در شكل سطحی نیز تفاوت داشته باشند. لذا در این كار اثر غلظت بر سرعت سوزش در مخلوطهایی از هوا و Mg، Al، Zr، Fe و B مورد بررسی قرار گرفته است. آزمایشات در لوله های شیشه‌ای ی عمودی با قطر m035/0 و طول m1 انجام شده است به طوریكه سوخت از پایین لوله كه محصور شده است به سمت بالا حركت می كند و در بالای لوله كه باز می باشد مشتعل می گردد. جرقه اولیه جهت ایجاد اشتعال توسط یك جرقه زن الكتریكی با توان 27 وات ایجاد می گردد.

در مخلوطهایی از Mg، Al، Zr و هوا ویژگیهای فرایند احتراق بسیار پیچیده و ناپایدار می باشد. یك Photoregistrogram از حركت شعله در مخلوط آلومینیوم- هوا در شكل (1) به همراه بخشهایی از سطح شعله در مقاطع متناظر نشان داده شده است. شكل (1) در مقاطع گذار از یك حالت به حالت دیگر مورد بررسی قرار گرفته است:

در ابتدا یك شعله آرام كه شكل سطح آن شبیه یك منحنی سهمی می باشد به طور مستقیم در داخل مخلوط سوخته پیش می رود (بخش a-b در شكل (1))، سپس یك شعله مرتعش با شكل ثابت (نوع اول) و با فركانس ارتعاش (b-c)، در ادامه یك شعله مرتعش با شكل موج دار روی سطح (نوع دوم، c-b) و در نهایت یك شعله آشفته با ویژگیهای توسعه یافته (d-e).

شكل (2) وابستگی سرعت سوزش vf به غلظت سوخت، c، را نشان می دهد.

در سوزش كند مخلوط هوا و ذرات آهن، تنها رژیمهای آرام و مرتعش نوع اول وجود دارد. در مخلوطهای هوا- بور ، آغاز فرآیند انتشار با موفقیت همراه نشد چون ذرات بور سوخته شده در شعله جرقه زن به سمت بالای لوله خارج می‌شوند.

در همه مخلوطهای Ze,Al,Mg با اكسیژن كه در آن بیشتر از 4/0 می باشد یك رژیم نوسانی شدید احتراقی و بلافاصله به دنبال آن گذار به رژیم آشفته دیده می‌شود. در مخلوطهای اكسیژن- بور كه در آن 7/0 یا 4/0= می باشد، انتشار پایدار شعله محقق نشد. تنها تكه های جداگانه ای از شعله سعی در انتشار داشتند كه خاموش شدند. اما در 7/0> فرآیند احتراق دارای ویژگیهای یك شعله آرام (Laminor) بوده كه در آن شعله دارای سرعت انتشار ثابت و پیشانی تقریباً تخت همانند شكل (3) می باشد. تنها بی ثباتی مشهود در فرایند انتشار شعله در مخلوط B+O2 بی ثباتی در جابجایی شعله است كه به صورت تغییرات متناوب در انحراف سطح شعله به سمت دیواره های لوله ظاهر می گردد. مورد مشابه این اثر در مخلوطهای هوا و آهن نیز دیده می شود.

همچنین ورتكسهایی در ناحیه محصولات احتراق بوجود می آید. در واقع شرط لازم جهت تشكیل ورتكسها در ناحیه محصولات احتراق در نزدیكی ناحیه احتراق،
04/0Fr< می باشد (، كه در آن g شتاب جاذبه و D قطر لوله می باشد) (Abrukov, Samonov, 1958). بور و آهن صادق است و برای دیگر سوختها صادق نمی باشد. بیشترین تلفات احتمالی در لوله هایی كه محدوده انتشار شعله در آن كم می‌باشد مربوط به میزان جابجایی شعله در مخلوطهای بور است. به همین علت، در همه موارد، انتشار شعله در مخلوطهای بور توسط صفحات خاموشی تقریباً در اواسط لوله خاتمه می یابد. مورد مشابه این موضوع در مخلوطهای هوا و آهن نیز وجود دارد.

در مخلوطهای منیزیم، آلومینیوم، روی و آهن (برای آهن در غلظتهای كم)، سرعت سوزش شعله آرام با افزایش غلظت سوخت به اندازه افزایش می یابد. در مخلوطهای B+O2 سرعت سوزش در محدوده غلظت مورد نظر، به غلظت بستگی نداشته و در حدود cm/sec8 می باشد. این نتیجه غیر منتظره‌ای است و در حال حاضر هیچ پیش زمینه تئوریكه وجود ندارد.

ضمناً توجه كنید كه در ابر ذرات مخلوط B+O2 با حجم 5 لیتر، سرعت سوزش در غلظت سوخت g/m3350 برابر cm/s10 بدست آمد. با تعویض بخشی از اكسیژن مخلوط با هیچ سرعت سوزش افزایش یافت به طوریكه در مخلوط
He%40+ O2%60+B سرعت سوزش در غلظت یاد شده cm/s6/13 بدست آمد.

بعنوان نتیجه بحث می توان مكان زیر را بیان نمود.

1- شعله آرام ساكن در مخلوطهای بور حاوی اكسیژن زیاد (7/0>) می تواند شكل بگیرد كه علت آن مقدار كم سرعت سوزش و تاثیر جابجایی طبیعی می باشد (انتشار شعله در لوله ها در راستای بردار ).

2- در مخلوطهای اكسیژن- بور، سرعت سوزش اساساً به میزان غلظت سوخت بستگی ندارد، كه این قضیه احتمالاً دلیلی بر ضعیف بودن مكانیزم فعال سازی اشتعال بور می باشد.

3- براساس مقادیر بدست آمده، سوختهای آزامایش شده به لحاظ مرتبه فعال سازی (activity) می توانند به ترتیب زیر قرار گیرند: Mg، Zr، Al، Fe و B. همین ترتیب در ارتباط با پایداری رژیم سوزش لامینار وجود دارد.

2-2- شعله‌های آرام پیش‌آمیخته در ابر ذرات بور]  [

در این بخش كار آقایان Goroshin ، Ageyev، Shoshin، Shevchuk، كه در بخش فیزیك دانشگاه ایالتی ؟ انجام شده مورد توجه قرار گرفته است. آنها با آزمایشات متعدد اثر علظت چرمی بود و نوع تركیب مخلوط گاز را بر سرعت سوزش مورد بررسی قرار دارند. ذیلاَ به بررسی و تشریح كار ایشان می‌پردازیم.

برای تحقیق در خصوص احتراق ابر ذرات بور از شعبه پدیدار ؟ پیش‌آمیخته نوع جنس (‌Bunsen ) استفاده شده است. شكل (‌4) شماتیكی از دستگاه آزمایش را نشان می‌دهد.

شكل (‌4- الف ) تركیبی از یك پیستون تغذیه كننده و یك شكاف برای پخش ذرات را نشان می‌دهد. ذرات قبلاَ توسط یك نوسانگر[1] در سیلندر تغذیه كننده فشرده شده‌اند. حركت خطی پیستون در محدوده سرعت تنظیم شده است. میزان حجم گاز در شیار دایروی ( انواع شیار 30 میكرون می‌باشد) ثابت و برابربا  می‌باشد. تنظیم جریان ذرات در طول یك نازل مخروطی كه توسط آب خنك می‌شود با استفاده از یك egector انجام می‌شود. زمانیكه نیاز باشد. جریان ذرات با كمك یك گزمكن الكتریكی حلقوی پیش‌گرم می‌شود جهت پیدا نگه‌داشتن شعله غبار ذرات بود از نوع جنس از یك نگهدارنده شعله پروپان – ؟ استفاده شده است( به شكل 4 توجه كنید). تمام جریان مخلوط پروپان، اكسیژن از 10 % جریان ذرات كه از سال خارج می‌شود تجاوز نمی‌كند. جدیدترین آزمایشات شعله غبار ذرات بر این نكته تأكید دارند كه استفاده از نگهدارنده شعله[2] در عمل هیچ تأثیری بر سرعت شعله ندارد. میزان غلظت غبار ذرات با جمع‌آوری تمام ذرات خارج شده از فیلتر در مدت 5 تا 10 ثانیه و توزین آنها اندازه‌گیری می‌شود.

سرعت سوزش با تقسیم میزان جریان خارج شده از نازل بر سطح مخروطی شعله داخلی محاسبه می‌شود از خصوصیات شعله ذرات بور و روشنایی بیش از حد آن می‌باشد. به همین علت عكسبرداری با فیلتر انجام شده است. درجه خلوص غبار ذرات بور در این آزمایشات 97 % می‌باشد. شكل ذرات بور بی‌قاعده و با نظم و عموم ذرات دارای دو نظر متفاوت می باشند قطر میانگین ذرات می‌باشد توزیع قطر ذرات را در شكل ( 5 ) ببینید.

در این مقاله گزارش شده است كه زمانی كه سرعت شعله بینهایت محكم است، مثلاَ در سوسپانسیونهای غبار ذرات بور اكیژن خالص موفق به پایدار نمودن شعله بنفش شده‌اند. حتی زمانیكه توان پایدار كننده دو برابر شد. در این حالت با انتشار شعله در یك لوله عمودی سرعت شعله بدست آمده است.

نتایج تجربی اثر غلظت جرمی بور بر سرعت سوزش در مخلوطهای گازی با تركیبات مختلف در شكل (6) ارائه شده است حد بالایی غلظت سوخت در آزمایشات را ویژگیهای سیستم ایجاد جریان ذرات تعیین می‌كند.

همچنین حد پایین غلظت سوخت ( تقریباَ با عدم امكان ایجاد شعبه پایدار تعیین می‌گردد.

در این شكل واضح است كه تغییر غلظت سوخت عملاَ تأثیری در سرعت سوزش ندارد.

شكل (‌7) اثر تركیب مخلوط گاز هلیم / اكسیژن بر سرعت سوزش شعله را نشان می‌دهد. این شكل بیانگر این مطلب است كه اثر تركیب مخلوط گاز هلیم / اكسیژن بر سرعت سوزش بسیار قوی می‌باشد. كه بیشترین مقدار آن مربوط به مخلوط گاز می‌باشد. زمانیكه غلظت اكسیژن كمتر از 24 % باشد، شعله بور در مشعل پدیدار نمی‌شود. در لوله نیز منتشر نمی‌گردد.

تخمین سرعت شعله ،‌ مادامیكه انتقال حرارت مولكولی روی می‌دهد را می‌توان بوسیله یك موازنه ساده بین حریانهای حرارتی بر روی مرز ناحیه احتراق انجام داد.

كه cg و lg به ترتیب ظرفیت حرارتی و چگالی گاز، C3 و B ظرفیت حرارتی و غلظت جرمی سوخت جامد، Ti دمای اشتغال ذرات بور، ضریب هدایت حرارتی ، زمان مشخصه سوزش ابر ذرات و دمای آریاباتیك محصولات احتراق می‌باشند.

در واقع در غیاب تشعشع فاز سرد شده در ناحیه پس از شعله و به علت كوچك بودن نسبت قطر مشعل به محل تلاقی فوتونها در ناحیه پیش از شعله، امكان هرگز، تأثیر تشعشع بر سر علت شعله از بین می‌رود.

لذا ارتباط (‌1) در غیاب اثر تشعشع نوشته شده است.

تحقیقات بر روی اشتعال تك ذره بور توسط ( King(1985 نشان می‌دهد كه در دمای اشتعال اختلاف چندانی به نقطه جوش اكسید‌بور ( 235K ) ندارد و تابع نسبتاَ ضعیفی از دمای ذره و دمای محیط می‌باشد.

امروزه این نكته عموماَ پذیرفته شده است كه احتراق ذرات میكرونیزه بور بوسیله سرعت واكنشهای همگن موجود در سطح ذره كنترل می‌گردد.

با استفاده از نتایج یك آزمایش در مورد سرعت شعله كه در یك مخلوط سه‌گانه

انجام شد مشخص شد كه سرعت شعله وابستگی ضعیفی به غلظت اكسیژن دارد.

2-3- سرعت سوزش در ابر ذرات غنی آلومینیوم ]    [

كاری كه توسط آقایان « گردشین» فومنكوه و « لی» انجام شده در زمینه سرعتهای سوزش در غبار ذرات آلومینیوم با غلظت بالا می باشد در زیر شرحی از كار آنها و همچنین دستگاه آزمایش آنها مورد بررسی قرار می‌گیرد. در این كار از دستگاه آزمایشگاهی استفاده شده كه می‌تواند یك شعله موازنه شده ذرات ریز جامد پیش آمیخته از نوع « Bun sen ) روی یك حلقه یا رینگ كه توسط آب خنك می شود را تولید نماید.

سرعت سوزش در توده ذرات آلومینیوم با غلظت بالا و با اندازة‌ ذره با تعیین مساحت سطح درونی شعله كه به شكل مخروطی است و همچنین نرخ جریان حجمی كل تعیین گردیده است. مشخص گردیده است كه در مخلوطهای با غلظت بالا، سرعت سوزش تابعی ضعیف از غلظت ذرات می‌باشد. به همراه آن همچنین وابستگی سرعت سوزش با غلظت اكسیژن بیشتر در مورد مخلوطهای با غلظت بالا ، نسبت به كارهای انجام شده در زمینه توده ذرات آلومینیوم با غلظت پایین مورد توجه است.

زمانیكه حجم اكسیژن در مخلوط از 11 تا 30 درصد افزایش می‌یابد سرعت سوزش از تا حدود تغییر می‌كند. همچنین سرعت سوزش تابعی قوی از خواص انتقالی مولكولهای گاز حامل دارد. بنابراین، جایگزین كردن آرگون در مخلوط بوده است. همچنین این آقایان مدلی را در زمینه احتراق ذرات ریز جامد مشخص كرده‌اند كه نشان داده است وابستگی ضعیف سرعت شعله به غلظت ذرات، نتیجه مستقیم ارتباط ضعیف نرخ سوزش ذرات در ناحیة‌                                                                

پخشی 2 دمای شعله می‌باشد. بعلاوه این مدل ارتباط سرعت سوزش با عدد لوئیس را در مخلوطهای با غلظت بالا بر طبق مشاهدات آزمایشگاهی پیشگویی می‌نماید.

نتایج بدست آمده با استفاده از دستگاه ؟ 25 % خطا دارد و علت آن وجود انحنا در نوك شعله و اتلاف گرما در پایة‌ شعله می‌باشد. این خطای 25 % توسط آقایان Bradly , Andrew برای شعله گازهای هموژن بدست آورده بودند كه پایه این عدد براساس كار آنها است شكل (‌8 ) نمایی از دستگاه سوزاننده ذرات می‌باشد.

یك لوله از جنس Stainless – steel بلند، به طول 70cm و قطر داخلی 25mm به یك لحظه پراكندگی مخروطی شكل با زاویه كم وصل شده است. این لوله یك جریان ذرات آرام را كه در ابتدا آشفته بوده است، تولید می‌نماید. جریان سیال از لوله وصل شده به نازل مخروطی شكل خارج می شود. یك حلقه نازك كه آب سرد از آن عبور می‌كند، به عنوان نگهدارنده شعله به كار می‌رود كه حدوداَ یك سانتیمتر بالاتر از خروجی نازل قرار دارد. غلظت ذرات با به‌ كارگیری یك خط لیزر

در شعله‌های غنی همانطور كه از شكل مشخص است ، نوك شعله باز است. در كشل (‌10) سرعت سوزش به صورت تابعی از خلوطهای نیتروژن با درصدهای مختلف اكسیژن نشان داده شده است. در این شكل پیداست كه حداقل غلظت تأثیر چندانی بر میزان سرعت سوزش ندارد.

در حالیكه در مخلوطهای رقیق سرعت سرعت سوزش تابعی قوی از غلظت می‌باشد. تعویض نیتروژن با آرگون یا هلیم جهت تحقیق در خصوص خواص انتقالی مولكولی گاز حمل كننده انجام شد. ساختار شعله مشاهده شده و همچنین سرعتهای شعله در محوطه ذرات اكسیژن – آرگون – آلومینیوم بسیار نزدیك به شعله ذرات مشاهده شده در مورد ذرات آلومینیوم – هوا می‌باشد.

تنها تفاوت در این است كه شعله ذرات با آ‌رگون درخشان‌تر از شعله ذرات با هوا می‌باشد و همچنین با جانشین كردن آرگون و یا هلیم به جای هوا، دماعی شعله بالاتر می رود و از حدود 3450 به 3650 درجه كلوین می‌رسد. سرعتهای شعله در مخلوط آرگون – اكسیژن و مخلوط هوا شبیه هستند و سرعتهای شعله هلیوم – اكسیژن 3 مرتبه سریعتر از شعله هوا – آلومینیوم یا آ‌لومینیوم – اكسیژن – آرگون می باشد. در این شعله‌ها مكانیزم انتشار بوسیله انتقال حرارت مولكولی است و سرعت سوزش تابعی از ضریب هدایت حرارتی و زمان مشخصه واكنش شیمیایی دارد به هر حال احتراق ذرات توسط فرایند پخش اكسیژن انجام می‌گیرد. زمان مشخصه احتراق با پخش اكسیژن ارتباط عكس دارد یعنی و بنابراین :

                                     (2)              

سرعت شعله در مخلوطی كه هلیم در آن ، به كاررفته طبق ارتباط بالا حدود 9/3 برابر حالتی است كه آرگو به كار رفته است ، در حالیكه آزمایشات عدد فوق را در حدود 2/3 نشان می‌دهند . به شكل (11) دقت كنید. این اختلاف نتیجه وابستگی ساختمان شعله و بنابراین سرعت شعله به عدد لوئیس بوده است ، كه برای این در مخلوط یعنی تفاوت دارد.

همچنین از آزمایشات بدست آمد كه شعله پیش آمیخته در غلظت اكسیژن % بوجود می‌آید و در غلظت اكسیژن % ناپدید می‌گردد. بعلاوه باید دانست كه این غلظتهای بحرانی به‌طور واقعی به غلظت ذرات بستگی ندارد. مقدار متوسط غلظت بحرانی اكسیژن % 95 است ؟ نقطه‌ای در وابستگی دمای شعله ؟ به غلظت اكسیژن (‌شكل 12 ) كه به مقدار 2300 كلوین ( كه نقطه ذوب اكسید آ‌لومینیوم است) می‌رسد، وعموماً به دمای جرقه ذرات آلومینیوم با اندازه میكرونی اطلاق می‌شود، نزدیك است.

نرخ سوزش سوخت زرده بوسیله نفوذ اكسیژن به سطح ذره و یا توسط مقدار شعله‌ای كه هر ذره در اطراف سطحش دارد، كنترل می‌گردد. همچنین فرض می‌شود كه دمای ذره در لحظه جرقه با نقطه ذوب اكسید آلومینیوم (‌2300K ) یكی است و بستگی به غلظت محلی اكسیژن دارد. به علت وابستگی كم انتقال نفوذ اكسیژن به دمای متوسط گاز محلی در ناحیه احتراق، نرخ سوزش نوك شعله اساساَ بوسیله غلظت محلی اكسیژن كنترل می‌گردد و می‌توان نوشت:

                                                                         (3 )

كه y(x) و Yu به ترتیب غلظت محلی و اولیه اكسیژن و یك ثابت احتراق پخشی در غلظت اولیه مخلوط ؟ باشد. با توجه به لحاظ كردن منبع حرارتی و یا برابر قرار دادن حرارت و بی‌های انرژی روی مرز بین منطقه‌ها، معادلة‌ جبری حاكم در مورد سرعت سوزش به صورت زیر خواهد بود:

                                                       (4 )

 

 

         كه معادله ( 5) مقدار متوسط بی‌؟ زرده است. همچنین داریم كه:

 

                                                       (6 )

كه   rf , ru شعاعهای ذره بعد از سوختن و قبل از سوختن می باشد. همچنین داریم:

     ( مقدار سرعت بی بعد)                    

 

Lg و Lg ، دانسیته و گرمای ویژه گاز حامل هستند. Tsi دمای جرقه زده و Tu دمای اولیه ذرات می‌باشد. Le عدد لوئیس است. نتایج حل تئوریك در شكل (13) آمده است.

نتایج تجربی و تئوری تنها 25 % اختلاف دارند. ارتباط سرعت سوزش به عدد لوئیس در نتیجه نفوذ اكسیژن در نقطه غنی ذرات مربوط به ضخامت شعله حرارتی می باشد و اینكه مقدار سرعت شعله K ارتباط‌ای با عدد لوئیس دارد، یعنی k=f(le) و با افزایش عدد Le مقدار k افزایش می‌یابد.

سرعت ابعادی شعله به خواص انتقالی مولكولهای گاز بستگی دارد به طوری كه

ع دد لوئیس در مخلوط برابر 1 و برای مخلوط He-o2 حدود 2 می باشد.

برای دیدن قسمت های دیگر این تحقیق لطفا” از منوی جستجوی سایت که در قسمت بالا قرار دارد استفاده کنید. یا از منوی سایت، فایل های دسته بندی رشته مورد نظر خود را ببینید.

با فرمت ورد

Leave a comment