Wyniki obliczeń CFD

W tej części pracy zaprezentowano szczegółowe wyniki analiz CFD dla przedstawionych wcześniej warunków. Obliczenia wszystkich prezentowanych przypadków wykonano według tego samego schematu, który obejmował:

1) uruchomienie obliczeń tzw. cold flow, bez uwzględnienia równań energii, związków chemicznych i radiacji;

61

2) włączenie równań energii oraz związków chemicznych;

3) włączenie równań radiacji;

4) stabilizacja obliczeń w zakresie parametrów na wylocie z komory – tlen, dwutlenek węgla, temperatura;

5) zmiana strumienia powietrza odpowiadająca kolejnemu współczynnikowi nadmiaru powietrza;

6) zakończenie obliczeń cieplno-przepływowych;

7) uruchomienie obliczeń tlenków azotu w trybie post-processing, czyli bez rozwiązywania równań energii i przepływu.

Kroki 4, 5 i 7 wykonywane były tyle razy, ile wynikało to z liczby przypadków uwzględniających zmianę ilości powietrza. Przykładową stabilizację wyników zaprezentowano na rysunku 7.9. W prezentowanym przypadku stabilizację uzyskiwano po około 200 iteracjach, jednakże okres obliczeń został wydłużony do 1000 iteracji. Dla przypadku z wykorzystaniem paliwa CO2-10 uzyskano takie same wartości, co pozwoliło skrócić ilość iteracji w pozostałych liczonych przypadkach do 500.

62

Rysunek 7.9. Przykładowe monitory parametrów na wylocie z komory dla paliwa CO2-20

1 186

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500

Temperatura [ C]

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 7500 8000 8500

CO2, O2 [%]

63

Rysunek 7.10. Przykładowy rozkład powietrza w komorze spalania wraz z zaznaczonymi poziomami pomiarowymi – niebieskie linie

Przedstawiony na rysunku 7.10 rozkład powietrza doprowadzanego do komory spalania jest zbliżony dla wszystkich prezentowanych przypadków. Dla prezentowanego przypadku, gdzie globalny współczynnik nadmiaru powietrza λG jest równy 2,18, w rejon palnika dostarczane jest tylko ~30% powietrza, przez co współczynnik nadmiaru powietrza pierwotnego λP jest znacznie mniejszy od jedności. Wartość ta rośnie aż do wartości bliskiej 1 dla najwyższej wartości współczynnika λG, co przedstawiono na rysunku 7.11.

64

Rysunek 7.11. Zależność współczynnika nadmiaru powietrza pierwotnego od współczynnika nadmiaru powietrza globalnego

Powietrze dostarczane przez otworki na drugim, trzecim i czwartym poziomie, którego głównym zadaniem jest chłodzenie ścian komory, bierze aktywny udział w procesie spalania, przez co w okolicach ścian można zaobserwować wzrost temperatury, a także wydłużenie płomienia i obszaru wysokich temperatur. Na rysunkach 7.12 b) i 7.13 b) pokazano rozkład temperatury wewnątrz komory spalania. Można zauważyć, że powietrze dostarczane przez otworki spełnia swoje zadanie i temperatura w pobliżu ściany jest znacznie niższa niż temperatura wewnątrz komory spalania. Efekt chłodzenia ścian jest szczególnie widoczny, jeżeli temperatura ściany zostanie Zwłaszcza, jeżeli zostanie porównana z temperaturą w okolicach ściany na drugim poziomie, dla której otworki chłodzące nie zostały zastosowane. Ściana ta jest atakowana przez płomień i jej temperatura znacznie wzrasta.

Istotne jest zatem zastosowanie materiału odpornego na wysoką temperaturę lub wykonanie dodatkowych otworów na pierwszym poziomie. Wpływ na temperaturę ściany ma także

65

a) b)

Rysunek 7.12. Wykres konturowy temperatury [°C] wraz z wektorami prędkości dla paliwa Metan-50, współczynnik nadmiaru powietrza λ=2,75: a) przekrój poprzeczny komory, b) zbliżenie na otworki powietrza chłodzącego

a) b)

Rysunek 7.13. Wykres konturowy temperatury [°C] wraz z wektorami prędkości dla paliwa Metan, współczynnik nadmiaru powietrza λ=2,18: a) przekrój poprzeczny komory, b) zbliżenie na otworki powietrza chłodzącego

Otworki 2. poziom

Otworki 3. poziom

Otworki 4. poziom

Otworki 2. poziom

Otworki 3. poziom

Otworki 4. poziom

66

Zestawienie temperatur na poszczególnych poziomach kontrolnych komory spalania dla wszystkich badanych paliw pokazano na rysunkach 7.14-7.18. Istotne w tym zestawieniu było wybranie przypadków o zbliżonym współczynniku nadmiaru powietrza. Na rysunkach 7.14-7.18 zaobserwować można wpływ powietrza chłodzącego. Wraz ze zwiększaniem się odległości od palnika temperatura w pobliżu ścian znacząco spada. Zwrócić należy także uwagę na temperaturę w osi komory spalania. Temperatura ta pozostaje przez cały czas niemalże na stałym poziomie około 1400 °C dla wszystkich prezentowanych paliw.

Rysunek 7.14. Rozkład temperatury na pierwszym poziomie kontrolnym, odległość od palnika Y = 130 mm

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

-200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Temp [ C]

X [mm]

Metan-100, λ=2,18 Metan-80, λ=2,24 Metan-65, λ=2,18 Metan-50, λ=2,09 CO2-10, λ=2,18 CO2-20, λ=2,22

67

Rysunek 7.15. Rozkład temperatury na drugim poziomie kontrolnym, Y = 235 mm

Rysunek 7.16. Rozkład temperatury na trzecim poziomie kontrolnym, Y = 340 mm

400

68

Rysunek 7.17. Rozkład temperatury na czwartym poziomie kontrolnym Y = 445 mm

Rysunek 7.18. Rozkład temperatury na piątym poziomie kontrolnym, Y = 550 mm

400

69

Na powyższych rysunkach zaobserwować można również wpływ rodzaju paliwa, jak również wpływ prędkości wtrysku tego paliwa, na rozkład temperatury. Największą prędkość wtrysku otrzymujemy dla paliwa o największej zawartości gazu inertnego, a więc paliwa Metan-50. Powoduje to większą penetrację strugi powietrza głównego i nieznaczne rozszerzenie wewnętrznej strefy recyrkulacji w stosunku do pozostałych paliw. Wpływ strugi paliwa widoczny jest jeszcze na drugim poziomie pomiarowym, gdzie w wyniku wspomnianej wyższej prędkości wtrysku proces utleniania paliwa przebiega w mniejszej odległości od palnika. Powoduje to mniejsze dysproporcje profilu na niższych poziomach.

Zwiększenie wewnętrznej strefy recyrkulacji zaobserwowano podczas badań płomienia kinetycznego, a wyniki zaprezentowane zostały w [57, 58], przedstawiono je również na rysunku 7.19.

a) b) c)

Rysunek 7.19. Wewnętrzna strefa recyrkulacji dla różnych paliw: a) Metan-50, λ=2,13; b) Metan-80, λ=2,99; c) Metan, λ=2,99

Na wspomnianą wcześniej wartość temperatury wewnątrz komory, a głównie w osi, wpływ ma powstanie wewnętrznej strefy recyrkulacji, co przedstawiono w postaci wektorów na rysunkach 7.12 i 7.13, a szczegółowo na rysunkach 7.20 - 7.24. Na poniższych wykresach

70

dodatnie wartości prędkości reprezentują kierunek przepływu w kierunku palnika (zawirowanie spalin), a wartości ujemne kierunek w stronę kanału wylotowego.

Rysunek 7.20. Rozkład prędkości na pierwszym poziomie kontrolnym, Y = 130 mm

-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12

-200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Vel [m/s]

X [mm]

Metan-100, λ=2,18 Metan-80, λ=2,24 Metan-65, λ=2,18 Metan-50, λ=2,09 CO2-10, λ=2,18 CO2-20, λ=2,22

71

Rysunek 7.21. Rozkład prędkości na drugim poziomie kontrolnym, Y = 235 mm

Rysunek 7.22. Rozkład prędkości na trzecim poziomie kontrolnym, Y = 340 mm

-16

72

Rysunek 7.23. Rozkład prędkości na czwartym poziomie kontrolnym, Y = 445 mm

Rysunek 7.24. Rozkład prędkości na piątym poziomie kontrolnym, Y = 550 mm

-16

73

Na powyższych wykresach zaobserwować można wpływ rodzaju paliwa na rozkład prędkości, a tym samym na wielkość wewnętrznej strefy recyrkulacji. Jednak ten wpływ ma znaczenie na dwóch pierwszych poziomach. Największe różnice występują dla gazów najbardziej różniących się od siebie, a więc paliwa Metan-100 i Metan-50.

Wewnętrzną strefę recyrkulacji w formie linii prądu dobrze zobrazowano na rysunku 7.25. Główny obszar wewnętrznej strefy recyrkulacji został wyróżniony poprzez zaznaczenie czarnym trapezem. Jego podstawa odpowiada trzeciemu poziomowi pomiarowemu, na którym prędkość wsteczna (w kierunku palnika) osiąga wartości od 4 do 7 m/s. W dalszej części komory następuje wyrównanie profili prędkości bez względu na rodzaj stosowanego paliwa, a zawirowanie wsteczne przestaje odgrywać znaczącą rolę w procesie tworzenia wewnętrznej strefy recyrkulacji.

W obszarze wlotów powietrza wtórnego spaliny płyną całym przekrojem w stronę wylotu. W tym obszarze następuje rozrzedzenie spalin i obniżenie temperatury. Dzięki takiej dystrybucji powietrza mamy do czynienia ze stopniowym procesem spalania (z ang. staged combustion). Taki mechanizm spalania umożliwia obniżenie emisji NOX, zwłaszcza tych powstających wg mechanizmu termicznego, co przedstawiono na rysunku 7.26.

Rysunek 7.25. Linie prądu paliwa, zbliżenie na wewnętrzną strefę recyrkulacji. Paliwo Metan-80

74

Rysunek 7.26. Kontur szybkości reakcji powstawania termicznych tlenków azotu [kmol/m³s]

Dalsza analiza wyników obliczeń numerycznych wykazała znaczną emisję tlenku węgla, zwłaszcza dla niskich globalnych współczynników nadmiaru powietrza. Również dla wyższych wartości λ_G. Na rysunku 7.27 zauważyć można, że największą emisją charakteryzuje się czysty metan. Wraz ze wzrostem ilości gazów inetrnych emisja spada, aż do najniższego poziomu dla paliwa Metan-50.

75

Rysunek 7.27. Zależność udziału molowego tlenku węgla w funkcji globalnego współczynnika nadmiaru powietrza

Porównując otrzymane wyniki obliczeń numerycznych z limitem emisji CO przedstawionym w [59] widać, że emisja przekracza limit tylko w przypadku czystego metanu dla niskiej, jak na warunki panujące w turbinach gazowych, wartości współczynnika nadmiaru powietrza.

Należy jednak podkreślić, że otrzymane wyniki otrzymane na drodze eksperymentu świadczą o zerowej emisji tlenku węgla. Wyższa emisja tlenku węgla w obliczeniach numerycznych związana jest z wolną rekcją utleniania CO oraz przyjętym modelem FR/ED, którego największa przewidywalność jest dla reakcji szybkich.

Analiza emisji tlenków azotu wykazała taką samą zależność jak w przypadku tlenku węgla. Wyniki tych obliczeń przedstawiono na rysunku 7.28.

0

1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70 2,80 2,90 3,00 3,10

CO [ppm]

76

Rysunek 7.28. Emisja tlenku azotu w funkcji globalnego współczynnika nadmiaru powietrza

Podczas obliczeń numerycznych uzyskano specyficzny kształt krzywych emisji NO.

Taki przebieg związany jest najprawdopodobniej ze znaczną zmianą wartości współczynnika nadmiaru powietrza w rejonie palnika. Dla niskich wartości λP mechanizm termiczny działa w ograniczonym zakresie. Wraz ze zwiększaniem ilości powietrza strefa wysokich temperatur, w których powstają tlenki azotu, przesuwa się w kierunku wylotu, a więc w okolice wlotów powietrza wtórnego. To z kolei zaczyna powodować ponowne obniżenie temperatury i w konsekwencji spowolnienie powstawania NO według mechanizmu termicznego. Wpływ powietrza wtórnego na szybkość reakcji termicznego powstawanie NO_X przedstawiono na rysunku 7.26.

Krzywa dla paliwa Metanu-50 ma odmienny kształt od pozostałych. Podkreślić w tym przypadku należy największą odmienność tego gazu w stosunku do normatywnego gazu wysokometanowego. Wpływ na to może mieć znaczne obniżenie maksymalnej temperatury spalania spowodowany dodatkowym gazem inertnym w strefie reakcji. Azot zawarty w paliwie wpływa również na zmniejszenie koncentracji tlenu w strefie reakcji, co również przyczynia się do zmniejszenia ilości powstających tlenków azotu.

0

1,80 1,90 2,00 2,10 2,20 2,30 2,40 2,50 2,60 2,70 2,80 2,90 3,00 3,10

NO [ppm]

77