Πειραματική διερεύνηση του τυρβώδους πεδίου ανάμειξης και καύσης σε πρωτεύουσα ζώνης σταθεροποίησης φλόγας με διαστρωμάτωση μείγματος και υπό την επίδραση ενός συρρέοντος δακτυλιοειδούς στροβιλιζόμενου ρεύματος
Authors: Δόγκας Ελευθέριος 
Published: September 2021

Τις τελευταίες δεκαετίες έχει καταστεί επιτακτική η ανάγκη για την μείωση των παγκόσμιων εκπομπών καυσαερίων που ευθύνονται για την δημιουργία του φαινόμενου του θερμοκηπίου. Μεταξύ των μελών των Ηνωμένων Εθνών που έλαβαν μέρος στην διάσκεψη των Εθνών στο Παρίσι το 2015 για την κλιματική αλλαγή, συμφωνήθηκε ο περιορισμός της αύξησης της θερμοκρασίας της Γης, σε λιγότερο από 2oC. Εμπόδιο προς αυτή την κατεύθυνση αποτελεί κυρίως η διαρκώς αυξανόμενη παγκόσμια ενεργειακή ζήτηση. Σύμφωνα με στοιχεία της International Energy Agency (IEA), αν η παγκόσμια κοινότητα συνεχίσει την τρέχουσα πολιτική της, χωρίς διορθωτικές αλλαγές σε σχέση με την ενεργειακή απόδοση, αναμένεται αύξηση στις ενεργειακές της ανάγκες κατά 1.3% ετησίως μέχρι το 2040. Η αυξητική τάση των παραγόμενων εκπομπών είναι αποτέλεσμα της συσσώρευσης των καυσαερίων που εκπέμπονται από τα νέα συστήματα καύσης και από τα ήδη υπάρχοντα συστήματα. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος των εκπεμπόμενων καυσαερίων στα νέα συστήματα καύσης χρησιμοποιούνται καινοτόμες τεχνολογίες καύσης χαμηλών ρύπων ή άλλες μορφές ενέργειας, όπως είναι η ηλεκτρική ή οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ή υβριδικά συστήματα, που συνδυάζουν τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με τις καινοτόμες τεχνολογίες της καύσης. Τα υφιστάμενα συστήματα, που στηρίζονται στην καύση του στερεού άνθρακα, όπως για παράδειγμα ο ανθρακίτης, ο λιγνίτης κ.α. χαρακτηρίζονται από την μακράς διάρκειας ζωής τους και ευθύνονται για το 30% όλων των εκπομπών που σχετίζονται με την ενέργεια. Σε αυτά τα συστήματα ο περιορισμός των εκπομπών επιτυγχάνεται με την αντικατάσταση των βαρύτερων και πιο ρυπογόνων στερεών καυσίμων με το φυσικό αέριο. Βέβαια η ολοένα και εντονότερη χρήση του φυσικού αερίου ως καύσιμο γεννά ένα βασικό ερώτημα, το κατά πόσον τα δίκτυα φυσικού αερίου μπορούν όντως να παρέχουν πηγές ενέργειας χαμηλών ή μηδενικών εκπομπών άνθρακα, όπως τα βιοκαύσιμα. Μέσα σε αυτό το πλαίσιο, ο επανασχεδιασμός και η βελτιστοποίηση των συστημάτων καύσης για παραγωγή ενέργειας, με κύριους στόχους: την αύξηση της παραγόμενης ενέργειας ανά κιλό καυσίμου μέσω της βελτίωσης της σταθεροποίησης της καύσης, την αύξηση της λειτουργικής απόδοσης των συστημάτων και τη σημαντική μείωση των εκπομπών ρύπων (Near Zero Emissions, NZE), αποτελούν επιτακτική ανάγκη προκειμένου οι επιπτώσεις της λειτουργίας τους να συμμορφωθούν με την όλο και αυστηρότερη σχετική νομοθεσία. Με γνώμονα τα κριτήρια αυτά, αναπτύχθηκε ένας καυστήρας οποίος στοχεύει τόσο στην βελτίωση της απόδοσης και της σταθεροποίησης της καύσης όσο και στην μείωση των εκπεμπόμενων αέριων ρύπων. Ειδικότερα, σε αυτή την εργασία ερευνάται η αλληλεπίδραση μιας αξονοσυμμετρικής, σταθεροποιημένης, επί στερεού σώματος, πρωτεύουσας ζώνης καύσης, η οποία λειτουργεί υπό συνθήκες διαστρωματωμένου μείγματος, με ένα δευτερεύον έκκεντρο, ομοαξονικό, στροβιλιζόμενο δακτυλιοειδές ρεύμα αέρα ή αέριου μείγματος αέρα και καυσαερίων. Ο καυστήρας/αναμείκτης αποτελείται από δύο κοιλότητες οι οποίες διαμορφώνονται από τρεις ομόκεντρους αξονοσυμμετρικούς δίσκους. Τα κέντρα των δίσκων είναι συνδεδεμένα κατά μήκος του άξονά τους με έναν, κοίλο σωλήνα, από τον οποίο γίνεται και η έγχυση του καυσίμου στη πρώτη κοιλότητα διαμέσου δακτυλιοειδούς εγκοπής στο δεύτερο δίσκο. Η δεύτερη κοιλότητα ενισχύει ακόμα περισσότερο την ανάμειξη του μείγματος καυσίμου/αέρα και τροφοδοτεί την περιοχής της σταθεροποίησης της φλόγας, η οποία βρίσκεται κατάντη του σταθεροποιητικού δίσκου, με μία ακτινική βαθμίδα του σχετικού λόγου καυσίμου/αέρα, Φ. Το Φ του εισερχόμενου μείγματος ρυθμίζεται μέσω του κεντρικού αέρα, του εγχυόμενου καυσίμου και της δευτερεύουσας κοιλότητας. Η περιοχή της σταθεροποίησης της φλόγας περιβάλλεται από μία ομοαξονική στροβιλοειδή ροή και από ένα ρυθμιστικό συρρέον εξωτερικό δακτυλιοειδές ρεύμα αέρα. Αυτή η διαμόρφωση οδηγεί στη δημιουργία δύο επάλληλων ζωνών ανακυκλοφορίας, οι οποίες αλληλοεπιδρούν αεροδυναμικά μεταξύ τους. Μία αρχική ζώνη ανακυκλοφορίας ανάντη του φλογοσταθεροποιητή και μία δεύτερη Κεντρική Δακτυλιοειδής Ζώνη Ανακυκλοφορίας [ΚΔΖΑ, (central toroidal recirculation zone, CTRZ)] κατάντη της πρώτης. Αυτή προκαλείται από την εισαγωγή του στροβιλισμού και είναι υπεύθυνη για την περεταίρω ανάμιξη των κύριων προϊόντων της καύσης. Σε αυτή τη διάταξη ο στροβιλισμός εισάγεται στην περιοχή των καυσαερίων, και όχι στην περιοχή αγκίστρωσης της φλόγας. Αυτό αποτελεί την καινοτομία της διάταξη, η οποία διαφέρει από τις συνήθεις διατάξεις στερεών σωμάτων βηματικής διαστολής ή συζευγμένων στροβιλιζόμενων ρευμάτων. Η διάταξη αυτή δεν έχει διερευνηθεί μέχρι σήμερα και ιδιαίτερα υπό συνθήκες διαστρωματωμένου μείγματος. Για την πειραματική διερεύνηση αυτού του πολύπλοκου συστήματος καύσης μετρήθηκαν σημαντικά μεγέθη της καύσης με χρήση διάφορων καινοτόμων μετρητικών συστημάτων και μεθοδολογιών. Η μελέτη αυτής της πολύπλοκης ροϊκής διαμόρφωσης διαχωρίζεται σε τρείς ενότητες: στη μελέτη του ισόθερμου πεδίο, του πεδίου ανάμειξης και του αντιδρώντος πεδίου. Η μελέτη του κάθε πεδίου, έγινε σταδιακά ξεκινώντας από την πιο απλή περίπτωση, αυτής χωρίς την εισαγωγή του στροβιλισμού και χωρίς την χρήση του εξωτερικού ρυθμιστικού ρεύματος αέρα και καταλήγοντας στην πιο περίπλοκη, που συνδύαζε όλες τις παραμέτρους. Αρχικά σε αυτή την εργασία θα παρουσιαστούν το ισόθερμο πεδίο και το πεδίο ανάμειξης για να καταδειχθεί η πληθώρα των δυνατών διαμορφώσεων έγχυσης καυσίμου που μπορούν να επιτευχθούν στο σύστημα των πολλαπλών δακτυλιοειδών ρευμάτων. Το ισόθερμο πεδίο ροής μετρήθηκε με χρήση του συστήματος 2D-PIV. Η επίδραση της εισαγωγής του στροβιλισμού και του εξωτερικού, συρρέοντος δακτυλιοειδούς ρεύματος αέρα στην κύρια ροή, αξιολογήθηκε μέσω του μετρημένου πεδίου ταχυτήτων και του τυρβώδους πεδίου. Οι συγκεντρώσεις του καυσίμου μετρήθηκαν με τη χρήση του συστήματος FTIR. Μετρήθηκε η κατανομή του καυσίμου στο πεδίο για διαφορετικές παραμέτρους ταχύτητας εισόδου και στροβιλισμού καθώς και για διαφορετικές θέσεις έγχυσης καυσίμου, διατηρώντας όμως σε κάθε περίπτωση την κύρια ζώνη διαστρωμάτωσης του μείγματος. Το καύσιμο εγχύθηκε είτε στην πρώτη κοιλότητα μέσω του δεύτερου δίσκου είτε στο δευτερεύον ρεύμα του στροβιλισμού είτε και στα δύο ρεύματα ταυτόχρονα. Στη συνέχεια, μελετήθηκαν οι αντίστοιχες περιπτώσεις στην αντιδρώσα ροή για πτωχά και πολύ πτωχά μείγματα καυσίμου/αέρα. Στόχος είναι να διερευνηθεί η δυνατότητα της συγκεκριμένης διάταξης να ελέγχει αποτελεσματικά τη διαδικασία της Καύσης. Το σύστημα του 2D-PIV χρησιμοποιήθηκε επίσης για τη μέτρηση του αντιδρώντος πεδίου ταχυτήτων και τύρβης. Οι μετρήσεις αυτές χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση των μεταβολών στη δομή της αντιδρώσας ροής σε σύγκριση με την ισόθερμη. Οι μετρήσεις με χρήση του συστήματος του 2D-PIV μαζί με τις μετρήσεις της απεικόνισης των χημειοφωταυγαζόντων συστατικών OH* και CH* και της θερμοκρασίας βοήθησαν στην αξιολόγηση της δομής των φλογών. Τέλος, για την αξιολόγηση των εκπομπών και της απόδοσης της καύσης του συστήματος μετρήθηκαν τα κύρια συστατικά των εκπεμπόμενων καυσαερίων για πτωχά έως πολύ πτωχά μείγματα με χρήση ενός αναλυτή καυσαερίων. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής αναπτύχθηκε ένας καυστήρας με μελλοντικό στόχο τη χρήση του σε διάφορα πρακτικά συστήματα καύσης όπως είναι οι αεριοστρόβιλοι, οι μηχανές εσωτερικής καύσης, οι οικιακοί και βιομηχανικοί καυστήρες κ.α. Η καινοτομία του καυστήρα τον καθιστά ελκυστικό για την εφαρμογή του σε πρακτικά συστήματα καύσης. Ειδικότερα μέσω της εισαγωγής του στροβιλισμού στην περιοχή των καυσαερίων και της αλληλεπίδρασης των δύο διαδοχικών ανακυκλοφοριών τα προϊόντα της καύσης αναμειγνύονται εκ νέου με τον αέρα ή με ένα μείγμα καυσίμου/αέρα προκαλώντας περεταίρω μείωση των εκπομπών. Ο καυστήρας μέσω των ρυθμίσεων λειτουργίας του παρέχει την δυνατότητα αποτελεσματικού ελέγχου της ανάμειξης τόσο του μείγματος καυσίμου/αέρα όσο και των καυσαερίων με τον αέρα. Ακόμη η ευελιξία των συνθηκών λειτουργίας του, τον καθιστά ελκυστικό καθώς προσφέρει την δυνατότητα κάλυψης των εκάστοτε ενεργειακών αναγκών με χαμηλή κατανάλωση καυσίμου. Επιπλέον ο συνδυασμός της διαστρωμάτωσης και του στροβιλισμού βελτιώνει σημαντικά την ευστάθεια τους συστήματος, ενώ ταυτόχρονα δεν εμφανίζονται τα φαινόμενα της οπισθοχώρησης και του εκφυσίματος της φλόγας, τα οποία είναι ανεπιθύμητα σε όλες τις εφαρμογές. Τέλος η απόδοση της καύσης του συστήματος και η κατανάλωση καυσίμου διατηρούνται σε ικανοποιητικά επίπεδα λόγω της διαστρωμάτωσης του μείγματος και των μειωμένων εκπομπών αέριων ρύπων.