فایل پایان نامه : دانلود پروژه رشته برق در مورد احتراق ذرات – قسمت اول

دانلود پایان نامه

-1- مقدمه اي بر و ]1و2[

مواد جامد بسياري وجود دارند كه قابليت احتراق داشته و در صورتيكه شرايط محيطي صحبت اشتعال آن فراهم گردد، شروع به سوختن مي نمايند. اين شرايط كه در نهايت منجر به ايجاد يك جرقه مي گردد تا حدود زيادي به طبيعت و ابعاد ذره جامد بستگي دارد. معمولاً قابليت احتراق ذرات جامد با كاهش اندازه آنها به شدت افزايش مي‌يابد به خصوص اگر ذرات جامد به شكل پودر و يا غبار درآيند كه در اينصورت شرايط جهت احتراق به مراتب مساعدتر مي گردد و در اين حالت نه تنها سريع‌تر محترق گشته بلكه سرعت سوزش آنها نيز افزايش مي يابد. دليل اين امر به ميزان اكسيژن نفوذ كرده به داخل توده ذرات بر مي گردد. در واقع در حالت فوق الذكر هوا يا اكسيژن راحت تر به درون توده ذرات نفوذ كرده و افت حرارتي سطح سوزش كمتر مي تواند به داخل جسم رخنه كند.

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

برای دانلود فایل ورد متن کامل اینجا کلیک کنید

هنگامي كه فاصله بين ذرات زياد مي گردد، زمينه مناسب جهت سوختن سريع مهيا مي گردد، چرا كه هواي كافي جهت احتراق، بين ذرات قرار مي گيرد. حال اگر اين پتانسيل بالا كه در احتراق ذرات ريز جامد هست خارج از كنترل به فعاليت در آيد مي تواند باعث خطرات فاجعه آميز و آسيب ديدگي اقرار گردد. چرا كه نرخ سريع سوزش ذرات بر روي تغييرات فشار اثر گذاشته و باعث گستردگي شعله مي گردد.

ذراتي كه در اكثر صنايع هست، قابل احتراق مي باشند. اين ذرات ممكن می باشد مستقيماً ترميم گردند و يا در در اثر ساير توليدات صنايع به وجودآيند بعنوان مثال مي‌توان از ذره آرد، شكر، ذرت، پلاستيك ها و فلزات زغالسنگ و مواد دارويي كه مستقيماً در صنايع توليد مي شوند نام برد.

مانند ذرايت كه به صورت ناخواسته و در هنگام توليدات صنعتي به وجودمي‌آيند، براده هاي چوب، كرك و منسوجات و انواع ديگر براده ها مي باشد. در هر صورت همگي اين ذرات قابليت احتراق داشته و در صورت فراهم شدن شرايط اشتعال و يا انفجار بسيار خطرناك مي باشند. اين انفجارها معمولاً زماني رخ مي دهد كه ذرات در هوا پراكنده مي گردند و منبع جهت ايجاد جرقه وجود داشته باشد، در حاليكه آتش سوزي ذرات در حالات توده اي، لايه اي و غيره مي تواند رخ دهد. ذكر اين نكته ضروري می باشد كه سرعت انتشار انفجار ناشي از ذرات به قدري زياد می باشد كه مي توان گفت اگر انفجار رخ دهد کوشش در جهت خنثي كردن اثرات زيانبار آن بيهوده می باشد.

به گونه كلي مجموع مباحث موجود در احتراق ذرات ريز جامد را مي توان در دو بحث عمده «تكنولوژي مدرن احتراق» و «پيشگيري و ايمني» اختصار نمود. امروزه احتراق ذرات ريز جامد به لحاظ تكنولوژي مدرن احتراق در صنايع نظامي و صنايع هوا فضا كاربردهاي متنوع و متعددي دارد كه از آن جمله مي توان به بهره گیری از ذرات فلزي در سوخت موشكهاي جامد سوز به مقصود افزايش پايداري احتراق و افزايش راندمان احتراق تصریح نمود. در واقع ارزش سوخت جامد كه توليد انرژي فراوان مشخصه بارز آن بوده زماني نايابتر مي گردد كه محدوديت حجمي و وزني وجود داشته باشد.

از طرفي وجود غبار ذرات در صنايع باعث ايجاد مشكلات عديده اي مي گردد كه پيشتر تشريح گردید. مطالب ذكر شده مبين اين مطلب بوده كه جهت جلوگيري از انفجارهاي ناخواسته غبار ذرات در صنايع و بهره گیری بهينه از ذرات فلزي در موشكها، نياز به فعاليتهاي تحقيقاتي مناسب مي باشد. در اين راستا شناخت مكانيزم انتشار شعله ذرات ريز جامد در ابري از ذرات، هدف مطالعاتي بسياري از محققين در اين زمينه مي‌باشد. براي شناخت اين مكانيزم اکثراً پارامترهايي نظير سرعت سوزش و فاصله خاموشي مورد بررسي و مطالعه قرار مي گيرد.

ضمناً ذكر اين نكته ضروري می باشد كه در مبحث اشتعال و ذرات تعريف واحدي در خصوص عبارت ذره وجود نداشته و در اقدام عبارت ذره و پودر بدون هيچ فرقي بهره گیری مي گردند. براي اهداف موجود در اين پايان نامه هر دو عبارت قابل بهره گیری بوده ولي در بيشتر موارد از عبارت ذره بهره گیری گرديده می باشد. البته اين نامگذاري را مي‌توان براساس قطر انجام داد. بر طبق استاندارد انگليسي، ذرات با قطر كمتر از يك ميكرون را دور يا غبار و ذرات بزرگتر از يك ميكرون را ذره و ذرات با ماكزيمم ابعاد كمتر از هزار ميكرون را پودر مي نامند.

1-2- تاريخچه احتراق

بيش از صد سال قبل، انفجار در معادن زغال سنگ تنها بواسطه وجود ذرات، پذيرفته شده بود. هنگامي قضيه احتراق ذرات از اهميت بيشتري برخوردار گردید كه در سده اخير انفجاراتي در صنايع بيشمار ديگري كه ما ذرات سر و كار داشتند به وقوع پيوست و خطرات انفجار ذرات و نياز به توجهات كافي در مورد آنرا يادآور گردید. انفجارات مهم به ثبت رسيده در ايالات متحده و كانادا از سال 1860 ميلادي شامل معادن زغال سنگ نشانگر خرابيهاي فراوان به بار آمده در كارخانه ها و بناها مي‌باشد. در انگلستان آماري از تعداد انفجارها و تلفات ناشي از آن ارائه گرديده می باشد. ولي تعداد ميانگين انفجار ذرات در اين كشور در سالهاي اخير 2 تا 3 مورد در ماه گزارش گرديده می باشد.

1-3- مروري بر ادبيات احتراق

جهت شناخت و بررسي رفتار احتراقي ذرات ريز جامد لازم می باشد مفاهيم اوليه و پارامترهاي احتراقي ذرات جامد نظير انواع شعله ها، دماي آدياباتيك شعله، سرعت انتشار، سرعت سوزش، شعله آرام، شعله آشفته و… مورد مطالعه قرار گيرد. در اين بخش به ذكر مفاهيم و تعاريف موارد فوق الذكر مي پردازيم.

1-3-1- انواع شعله هاي اساسي ]3[

در فرايندهاي احتراق، سوخت و اكسيد كننده در هم شده و مي سوزند. احتراق را بر اساس زمان مخلوط شدن سوخت و اكسيد كننده به دو دسته پيش آميخته[1] و غير پيش آميخته[2] تقسيم مي كنند. به آن دسته از شعله هايي كه در آن سوخت و اكسيد كننده پيش از احتراق مخلوط مي شوند شعله پيش آميخته و به آن دسته از شعله هايي كه در آن فرايند احتراق و مخلوط شدن سوخت و اكسيدايزر به صورت همزمان رخ مي‌دهد شعله غير پيش آميخته گفته مي گردد. شكل (1-1) نمايي از يك شعله پيش آميخته و شكل (1-2) يك شعله غير پيش آميخته را نشان مي دهد.

1-3-2- دماي آرياباتيك شعله و شعله آرياباتيك

در يك فرايند احتراقي كه به صورت آرياباتيك انجام شده باشد، درجه حرارت محصولات احتراق را دماي آرياباتيك شعله مي نامند. در واقع دماي آرياباتيك شعله با فرض اينكه تغييري در انرژي جنبشي و پتانسيل رخ ندهد و كاري انجام نشود، حداكثر مقداري می باشد كه مواد اوليه پس از احتراق به آن مي رسند. زیرا هيچ انتقال حرارتي انجام نمي گيرد و هيچ احتراق ناقصي باعث كاهش دماي محصولات نمي‌گردد. البته واقعيت اين می باشد كه تمام شعله ها حرارت خود را به محيط اطراف منتقل مي كنند. ولي اغلب در بررسيهاي تئوريك شعله، آن را آرياباتيك فرض مي‌كنند. براي نزديك شدن به طرح آرياباتيك شعله، مي توان شعله را در يك لوله و يا چراغي كه با محيط اطراف خود تبادل حرارتي كم و خيلي سريع داشته، در نظر گرفت.

در انتشار شعله در يك كانال باريك، از آنجا كه قطر كانال كوچك تر از طول آزاد انتشار تشعشع در مخلوط ذرات ساكن مي باشد، بنابراين تشعشع حاصل از پيشاني شعله و ناحيه محصولات احتراق در عبور از كانالها، به گونه كامل بوسيله ديوارهاي كانال جذب مي گردد.

شما می توانید مطالب مشابه این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید                     

1-3-3- احتراق ابر ذرات ]4[

احتراق ابر ذرات مدلي براي بررسي پارامترهاي شعله و رفتار احتراقي ذرات ريز جامد مي باشد. در اين مدل از گسترش شعله در ميان ابري از ذرات به عنوان بحث پايه جهت تحليل پارامترهاي احتراقي بهره گیری مي گردد. ابر ذرات شامل مجموعه نسبتاً يكنواختي از ذرات مي باشد كه داراي قطر متوسط پايين هستند. در احتراق ابر ذرات كه ايجاد ابر ذرات يكنواخت مانند الزامات آن می باشد، نوع سيستم پراكنش مهم مي‌باشد.

همچنين اندازه قطر ذرات در احتراق ابر ذرات نقشي به سزا دارد. به طوريكه هرچه اندازه قطر ذرات كم گردد، احتراق در ابر ذرات مي تواند خيلي سريعتر انجام شده و حتي انفجارهاي جدي و خطرناكي را به وجودآورد. به اين ترتيب با در نظر داشتن مطالعات تجربي، ذرات با قطر كمتر از 100 ميكرون مي توانند خصوصيات ابر ذرات يكنواخت جهت احتراق ابر ذرات را داشته باشند.

بعلاوه ابر ذرات فلزي كه نقطه جوش آنها بيشتر از دماي شعله مي باشد جهت انجام مطالعات پايه مناسبترين مي باشد. احتراق ابر ذرات فلزي به سبب خصوصيات بارز آن در توليد انرژي، مدتهاست كه هدف مطالعات محققين در اين زمينه مي باشد. اشكال (1-3) و (1-4) تصاويري از احتراق ابر ذرات مي باشد كه توسط دوربين سرعت بالا در آزمايشگاه تحقيقاتي احتراق دانشكده مكانيك دانشگاه علم و صنعت ايران بدست آمده می باشد.

1-3-4- احتراق تك ذره

احتراق تك ذره مدلي می باشد كه در آن يك ذره ريز جهت شناسايي رفتار احتراقي محترق مي گردد. در واقع احتراق تك ذره يك نوع مطالعه در ابعاد ميكروسكوپي مي‌باشد. در اين زمينه مي توان به كارهاي Edward L.Dreizin تصریح نمود. ولي با محترق کردن يك ذره آلومينيوم در محفظه اي خاص، ويژگيهاي احتراق آلومينيوم نظير نوارهاي روشنايي، تغييرات سرعت ذرات سرزنده، زمان احتراق، تاثير اكسيدايزر بر احتراق، انفجارهاي كوچك در پايان احتراق، احتراق غير متقارن و… را مورد بررسي قرار داده می باشد ]5و6[. شكل (1-5) احتراق يك تك ذره را نشان مي دهد. در خصوص احتراق تك ذره در بخش بعد به گونه مفصل بحث خواهد گردید.

1-3-5- شعله آرام

شعله آرام عبارتست از يك لايه نازك و بدون اعوجاج و صاف كه در ناحيه مخلوط سوخته نشده و محصولات احتراق را از يكديگر جدا مي كند. براي ايجاد يك شعله آرام، يكي از مشكلات حضور نيروي جاذبه می باشد. در محيطهاي غير همگن، مانند مخلوط ذرات ريز جامد و هوا، ذرات تحت تاثير نيروي جاذبه به مرور ته نشين مي‌شوند و همين امر باعث افزايش غلظت سوخت و پيرو آن ايجاد شعله آشفته مي‌گردد. با در نظر داشتن اهميت نيروي جاذبه در بروز مشكلات آزمايشگاهي، روشها و مكانيزمهاي متفاوتي براي توزيع ذرات پيشنهاد شده می باشد كه هر كدام به نوعي سعي در حذف و يا كاهش اثر جاذبه در جريان آزمايشات دارند كه از آن جمله مي توان به روش جاذبه ضعيف[3]]7[، روش جاذبه صفر]8[، تعميق ذرات به روش الكتروستاتيكي[4]]9[، تعميق استاتيكي به روش الكتروستاتيكي[5]]9[، روش تعميق ناگهاني[6]]10[ و روش بستر سيالي شده[7]]11[ تصریح نمود.

در ناحيه‌اي كه شعله آرام تشكيل مي گردد، شعله با سرعت ثابت منتشر مي‌گردد. پيشاني شعله آرام، بدون اعوجاج و تقريباً تخت و يا سهمي شكل مي باشد. شكل
(1-6) تصويري از شعله آرام ابر ذرات آلومينيوم را در مخلوطي از اكسيژن- نيتروژن نشان مي دهد.

1-3-6- شعله آشفته

از مشخصه هاي كلي احتراق ابر ذرات، وجود اغتشاش قابل ملاحظه در مخلوط نسوخته قبل از عبور شعله مي باشد. در اين حالت در صورتيكه غلظت ذرات جهت ايجاد شعله آشفته مناسب باشد، شعله آشفته تشكيل مي گردد. در يك شعله آشفته، شعله به يك ناحيه واكنش توزيع شده تبديل نمي گردد. بلكه به نواحي واكنش متنوع تقسيم مي گردد ]12[. در ناحيه اي كه شعله آشفته تشكيل مي گردد، سرعت شعله با شتاب زيادي افزايش مي يابد. پيشاني شعله آشفته داراي اعوجاجهاي نامنظم و اشكال مختلف مي باشد كه از آن جمله مي توان به چين خوردگيهاي نامنظم، وجود ورتكسها در پيشاني و … تصریح نمود. شكل (1-7) تصويري از يك شعله آشفته را نشان مي‌دهد.

1-3-7- سرعت انتشار شعله

در محيط ذرات ريز جامد با ايجاد جرقه مناسب، شعله اي ايجاد گرديده و در صورتي كه بستر سيال محتوي ذرات جهت انتشار شعله مناسب باشد، شعله با سرعت خاصي كه بستگي به غلظت ذرات و نوع گاز تركيبي با ذرات دارد، شروع به حركت مي‌نمايد. سرعت انتشار شعله يكي از پارامترهاي ديناميكي مهم در شعله بوده و كمك بسزايي در جهت شناخت آن مي نمايد.

سرعت شعله تابعي از غلظت ذرات ريز جامد مي باشد و با تغيير غلظت ذرات سرعت انتشار شعله در محيط ذرات ريز جامد تغيير مي نمايد. جهت اندازه گيري سرعت شعله مي توان از روشهاي تصوير برداري و يا سنسورهاي مناسب بهره گیری كرد. شكل (1-8) نشان دهنده تغييرات سريعت شعله به صورت تابعي از غلظت ذرات مي‌باشد.

1-3-8- سرعت سوزش[8]

سرعت سوزش نرخ تبديل ناحيه سوخته نشده به ناحيه سوخته شده مي باشد. سرعت سوزش ذرات يكي از مهمترين كميتهاي مورد نظر ما بوده كه اندازه گيري آن به گونه مستقيم امكان پذير نمي باشد. براي بدست آوردن سرعت سوزش بايد آغاز مقدار سرعت انتشار شعله را بدست آورد و سپس بر نسبت سطح شعله به سطح مقطع لوله آزمايش احتراق ذرات كه براي تمام غلظتها تقريباً برابر 5/1 الي 2 مي باشد تقسيم نمود. شكل (1-9) نشان دهنده سرعت سوزش برحسب غلظت ذرات مي باشد.

1-3-9- ضخامت شعله[9]

ضخامت شعله كه با نماد نشان داده مي گردد، عبارت از يك لايه بسيار نازك بوده كه دو ناحيه سوخته نشده و سوخته شده را از هم جدا مي نمايد. اندازه گيري ضخامت شعله ذرات ريز جامد به دليل پيچيدگيهايي كه دارد و بدليل تاثير غلظت ذرات بر آن كار بسيار مشكلي مي باشد. به اين ترتيب كه برابر قرار دادن نرخ حرارت توليد شده در شعله با نرخ حرارت تلف شده از ناحيه شعله در جدار لوله، ضخامت شعله برحسب فاصله خاموشي بدست مي آيد.

1-3-10- فاصله خاموشي شعله[10]

فاصله ايست كه شعله در بين صفحاتي كه در مسير حركتش قرار مي گيرد خاموش مي‌گردد. اين فاصله معمولاً بين 7-3 ميلي متر مي باشد. فاصله خاموشي كه با نماد dq نشان داده مي گردد، يكي از بنيادي ترين پارامترهاي ديناميكي شعله مي باشد.

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را در شماره بندی انتهای صفحه بخوانید              

1-3-11- خاموشي شعله[11]]13[

مسئله اصلي در خاموشي شعله تعيين حداكثر اندازه گذرگاههايي از قبيل قطر لوله، اندازه مجرا يا فاصله بين صفحاتي می باشد كه شعله از ميان آنها نتواند عبور كند. اگر شعله بخواهد منتشر گردد، آزاد شدن انرژي در اثر واكنش شيميايي بايد بتواند درجه حرارت ناحيه واكنش را به اندازه كافي بالا ببرد تا واكنش سريع، تقويت گردد. اگر انتقال حرارت به سطوح اطراف به اندازه كافي زياد باشد، دما افت پيدا خواهد كرد و واكنش كند مي گردد. همانطور كه واكنش كند مي گردد، نرخ آزاد شدن انرژي پايين آمده و درجه حرارت به زير دماي اشتعال نزول پيدا خواهد كرد و شعله خاموش مي‌گردد. همين پديده نيز در محفظه‌هاي احتراق در جاييكه دماي لايه مرزي نزديك سطوح فلزي، به پايين تر از دماي اشتعال مي رسد نظاره مي گردد.

براي يك مخلوط مشخص، چندين اندازه لوله (d0) هست كه شعله ديگر نمي‌تواند منتشر گردد؛ اندازه لوله تا جاييكه هيچ شعله اي در آن نتواند منتشر گردد، كم مي گردد. ممكن می باشد لوله با صفحات موازي (شكافهاي مستطيلي) يا با يك شكل مخروطي جايگزين گردد. در حالت مخروطي شكل، شعله در طرف بزرگ مخروط شروع شده و در موقعيتي كه شعله خاموش مي گردد، قطر خاموشي تعيين مي‌گردد.

فاصله خاموشي d0 به شكل ديواره ها، نوع سوخت، استوكيومتري، فشار، درجه حرارت شركت كننده ها و آشفتگي بستگي دارد. نمودارهاي فاصله خاموشي در برابر نسبت تعادلي به صورت يك سهمي با يك مينيمم در قسمت غليظ نسبت استوكيومتريك مي باشند. در طرف رقيق، فاصله خاموشي با عكس سرعت سوزش متناسب مي باشد. با افزايش وزن مولكولي سوخت در قسمت غليظ، فاصله خاموشي به گونه جزئي كاهش مي يابد. براي مخلوط پروپان- هوا شكلهاي (1-10) و (1-11) داده هاي فاصله خاموشي موازي را نشان مي دهند. فاصله خاموشي تقريباً با عكس فشار متناسب مي باشد. براي نسبت استوكيومتريك پروپان- هوا، d0­ با p-0.88 متناسب بوده ولي براي هيدروژن هوا d0 با p-1.14 متناسب مي باشد. بعنوان يك تقريب اگر سرعت سوزش با توان S فشار متناسب باشد آنگاه براي فشارهاي پايين، d0 با p (1+S) متناسب خواهد گردید. اثر درجه حرارت شركت كننده T0 روي فاصله خاموشي توسط اين فرمول تقريبي d0V1/T0=cte بدست مي آيد.

اثر آشفتگي كمتر محسوس بوده اما با افزايش آشفتگي، انتقال حرارت افزايش يافته، بنابراين فاصله خاموشي نيز افزايش خواهد يافت. اثرات هيدروديناميكي ديگر از قبيل شناوري روي فاصله خاموشي نيز مشهود می باشد. براي شعله هاي رقيق در لوله ها، فاصله خاموشي در پايين دست نسبت به بالا دست جريان، 10 درصد بيشتر می باشد. براي شعله هاي غليظ ممكن می باشد ناپايداري اتفاق بيفتد و پديده خاموشي خيلي پيچيده‌تر مي گردد.

كلاً اثرات ديواره به علت انتقال حرارت بوده نه در اثر نفوذ اجزاء كه به نظر نمي‌رسد روكش دار كردن ديواره ها بر روي خاموشي اثر جزئي داشته باشد.

1-3-12- حداقل انرژي جرقه

این نوشته در برق ارسال شده است. افزودن پیوند یکتا به علاقه‌مندی‌ها.

دیدگاهتان را بنویسید