مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تشخیص گونه‌های احتراقی مهم به کمک طیف‌سنجیِ تابش طبیعی شعله، در مشعل سوراخ‌دار

نویسندگان
حسین سلطانیان 1
محمد ضابطیان 2
هادی پاسدار شهری 1
1 گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
2 استادیار/ دانشگاه تربیت مدرس
چکیده
در این پژوهش، تشخیص گونه‌های احتراقی در شعله‌ی متان-هوا بر مبنای طیف‌سنجی تابشی شعله مورد بررسی قرار گرفته است. مطالعه‌ی تجربی روی یک دستگاه آزمون که مجهز به وسایل اندازه‌گیری جهت دریافت تابش شعله از مشعل سوراخ‌دار که یکی از متداول‌ترین مشعل‌ها در دیگ‌های چگالشی است، انجام شده است. گونه‌های احتراقی OH*، CH*، C2*، H2O* از روی نورتابی شیمیایی شناسایی شده‌اند. تغییرات شدت تابش گونه‌ی OH* که نقش مهمی در تعیین نرخ حرارت آزاد شده از شعله دارد، برای نسبت‌های هم‌ارزی مختلف Φ و به ازای توان‌های مختلف مشعل، به کمک طیف‌سنج اندازه‌گیری شد که بیشترین شدت را در محدوده 0.77<Φ<0.85 در تمامی مقادیر توان مشعل ارائه می‌دهد. به همین ترتیب شدت فرآورده اصلی احتراق H2O* بررسی شد که بیش‌ترین مقدار آن که معرف کامل‌ترین حالت واکنش احتراق است در Φ=0.86حاصل شد. نتایج همان آزمون نشان داد که نسبت شدتOH*/CH* به صورت مستقل از توان مشعل به دست آمد که توسط سایر محققین نیز تایید شده است. به این ترتیب می‌توان با سنجش تابش شعله، نسبت هم‌ارزی آن را به دست آورد. از یک دماسنج مادون قرمز جهت اندازه‌گیری دمای سطح مشعل استفاده شد. دمای بیشینه سطح مشعل به کمک دماسنج لیزری و در محدوده‌ی 415oC تا 420oCبه ازای نسبت هم‌ارزی Φ=0.82 در تمامی مقادیر توان مشعل به دست آمد که معرف بازدهی بهتر مشعل است. به دست آوردن نسبت هم‌ارزی مشعل، از روی تابش آن و امکان بهبود بازده مشعل از طریق ارزیابی شاخص‌های مرتبط با نرخ حرارت آزاد شده و دمای سرمشعل، اساس کار حاضر است.
کلیدواژه‌ها
طیف‌سنجی
گونه‌های احتراقی
نورتابی شیمیایی
سرمشعل سوراخ‌دار
دما

موضوعات

عنوان مقاله English

Important combustion species detection by flame natural emission spectroscopy in perforated burner

نویسندگان English

Hossein Soltanian 1
Mohammad Zabetian 2
Hadi Pasdarshahri 1
1 Energy Conversion Group, Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Assistant Professor, Tarbiat Modares University
چکیده English

In the present research, combustion species detection in methane/air flame is carried out based on Flame Emission Spectroscopy (FES). Experimental investigation is performed on a test rig equipped with measurement devices to get the flame emission of a perforated burner which is one of most popular burners used in condensation boilers. Combustion species H2O*, OH*, CH* and C2* are detected from their chemiluminescence The emission of OH* radical was investigated for different equivalence ratios (Φ) and burner powers showing an intensity peak in the range of Φ between 0.77 to 0.85 that corresponds to the maximum heat release rate. Emission of H2O* was also investigated leading to its maximum at Φ=0.82 which shows the most complete combustion equation for different burner powers. The similar experiment showed that OH*/CH* intensity ratio was independent of burner power as is confirmed by previous researchers. One could infer equivalence ratio from the flame emission. Burner surface temperature was also targeted by an infrared thermometer with the purpose of finding the maximum surface temperature of 415 to 420oC which happened at nearly Φ=0.82 for all burner powers. Finding equivalence ratio of the burner by using its natural emission and improving its efficiency by the method of investigating combustion specifications relating to heat release rate is the basis of this work.

کلیدواژه‌ها English

spectroscopy
combustion species
chemiluminescence
perforated burner
Temperature
[1] J. Ballester, T. Garcia, Diagnostic techniques for the monitoring and control of practical flames, Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 36, No. 8, pp. 375–411, 2010.
[2] A. Leipertz, An overview of combustion diagnostics, S. Pfadler, R. Schießl, Handbook of Combustion, pp. 1-50, New York: McGraw-Hill, 2010.
[3] E. C. Rada, Thermochemical Waste Treatment by Combustion Gasafication and Other Methodologies, Second Edittion, pp. 224-227, New Jersey: Apple Academic Press, 2017.
[4] C. E. Baukal, Industrial Combustion Testing, First Edittion, pp. 564-571, London: Taylor & Francis, 2010.
[5] S. R. Turns, An Introduction to Combustion Concepts and Applications, Second Edittion, pp. 191-192, New York: McGraw-Hill, 2000.
[6] A. Labergue, J. D. Penacarillo, M. Gradeck, F. Lemoine, Combined three-color LIF-PDA measurements and infrared thermography applied to the study of the spray impingement on a heated surface above the Leidenfrost regime, Heat Mass Transfer, Vol. 104, No. 2, pp. 1008–1021, 2017.
[7] J. Ballester, T. Garcia-Armingol, Diagnostic techniques for the monitoring and control of practical flames, Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 36, No. 4, pp. 375–411, 2010.
[8] J. M. Samaniego, F. N. Egolfopoluos, C. T. Bowman, CO 2 * chemiluminescence in premixed flames, Combustion Science and Technology, Vol. 109, No. 6, pp. 183–203, 1995.
[9] J. Kojima, Y. Ikeda, T. Nakajima, Spatially resolved measurement of OH*, CH *, and C2* chemiluminescence in the reaction zone of laminar methane-air premixed flames, Combustion Institute, Vol. 28, No. 6, pp. 1757–1764, 2000.
[10] Y. Hardalupas, M. Orain, Local measurements of the time-dependent heat release rate and equivalence ratio using chemiluminescent emission from a flame, Combustion and Flame, Vol. 139, No. 3, pp. 188–207, 2004.
[11] C. S. Panoutsos, Y. Hardalupas, A. Taylor, Numerical evaluation of equivalence ratio measurement using OH* and CH* chemiluminescence in premixed and non-premixed methane–air flames, Combustion and Flame, Vol. 156, No. 2, pp. 273–291, 2009.
[12] T. Parameswaran, R. Hughes, P. Gogolek, and P. Hughes, Gasification temperature measurement with flame emission spectroscopy, Fuel, Vol. 134, No. 3, pp. 579–587, 2014.
[13] J. M. de Paulo, J. E. M. Barros, P. J. S. Barbeira, A PLS regression model using flame spectroscopy emission for determination of octane numbers in gasoline, Fuel, Vol. 176, No. 6, pp. 216–221, 2016.
[14] J. Li, J. Zhao, S. Guo, X. Zhou, Y. Lio, J. Bai, Y. Fang, Predicting the vanadium speciation during petroleum coke gasification by thermodynamic equilibrium calculation, Fuel, Vol. 176, No. 6, pp. 48–55, 2016.
[15] A. G. Gaydon, Second Edittion, The Spectroscopy of Flames, pp. 211-220, Amsterdam: Springer, 1974
[16] S. Kadowaki and N. Ohkura, Time series analysis on the emission of light from methane-air lean premixed flames, Transactions of The Japan Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 51, No. 173, pp. 133-138, 2008.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 18، شماره 6
مهر 1397
صفحه 79-84