Bundit Krittacom* Pipatana Amatachaya and Ittipon Worapun for ThaiScience/Article/62/10029944.pdf · ประกอบไปด้วยกลไกการเผาไหม้แบบสมบูรณ์

NU Science Journal 2013; 9(2): 90 - 101

ฟลกซการแผรงสความรอนของหวเผาเชอเพลงแกสชนดวสดพรนเซลลลารเปด บณฑต กฤตาคม* พพฒน อมตฉายา และอทธพล วรพนธ

Radiation Heat Flux of the Gas Burner using Open-cellular Porous Media

Bundit Krittacom* Pipatana Amatachaya and Ittipon Worapun

หองปฏบตการการวจยในเทคโนโลยของวสดพรน สาขาวชาวศวกรรมเครองกล คณะวศวกรรมศาสตรและสถาปตยกรรมศาสตร มหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลอสาน

จงหวดนครราชสมา 30000 *Correspondent author. E-mail: [email protected]

บทคดยอ

ฟลกซการแผรงสความรอนจากการเผาไหมของเชอเพลงผสมกอนระหวางอากาศกบ

แกสมเทนในหวเผาวสดพรนชนดเซลลารเปดไดท าการศกษาโดยการทดลองและการค านวณ ในการทดลองใชวสดพรนแบบเซรามกซชนดอะลมนา-คอรดไรท (Al-Co) มาตดตงในหวเผาโดยมคาจ านวนชองตอหนงหนวยนว (PPI) เทากบ 13 และมความพรน () เปน 0.872 การวดรงสทแผออกมาจากหวเผาใชเครองมอวดรงสชนดผวหนาสองส ส าหรบการวเคราะหทางทฤษฏ ใชจลนศาสตรเคมของกลไกการเผาไหมในสถานะแกส (สมการพลงงาน) เปนแบบกลไกเดยวโดยใชสมการอารรเนยส ส าหรบการค านวณหาการสงถายการแผรงสความรอนในสมการพลงงานของสถานะของแขง สมการการแผรงสความรอนในหวเผาวสดพรนหาผลเฉลยดวยวธการประมาณคาแบบ P1 สภาวะเสถยรของการเผาไหมในหวเผาชนดนไดก าหนดดวยการเปาดบของเปลวไฟ ซงมคาอตราสวนสมมล () ประมาณ 0.48 ถง 0.5 และการยอนกลบของเปลวไฟ ( มคาประมาณ 0.62 ถง 0.76 ) ปรมาณการแผรงสขนอยกบ และเลขเรยโนลด (Re) ผลการค านวณของฟลกซการแผรงส ไปขางหนาแบบไรหนวย (+) และอณหภมผวของหวเผา (TS) เมอเปรยบเทยบกบการทดลอง พบวามความสอดคลองกนอยางสมเหตสมผล ดงนนความแมนย าของการวเคราะหทางทฤษฏจากแบบจ าลองทางคณตศาสตรของงานวจยนจงมความนาเชอถอ ค ำส ำคญ: ฟลกซการแผรงสความรอน หวเผาวสดพรน เชอเพลงผสมกอน วสดพรนชนดเซลลารเปด

NU Science Journal 2013; 9(2) 91

Abstract Radiation heat flux from the combustion of the methane-air premixed gas on an open-cellular porous burner was investigated experimentally and numerically. In the experiment, an alumina-cordierite (Al-Co) having pores per inch (PPI) of 13 and porosity () of 0.872 was examined. Radiant output from the porous burner was measured based on a two-color radiometry. For the analysis, we assumed that the chemical kinetics of gas-phase (energy equation) reactions was governed by a single-step Arrhenius rate expression. To evaluate the radiative transports in the solid-phase energy equation, the equation of transfer for the radiation field in a porous burner was solved using the P1 approximate method. The stable combustion of the present burner was characterized by flash-back limits, where the equivalence ratio () was around 0.48 to 0.5, and blow-off limits ( was around 0.62 to 0.76). The radiant outputs depended on and Reynolds number (Re). Predicted results of the dimensionless forward radiative heat flux (+) and the burner surface temperature (TS) were reasonably compared with experimental data. Satisfactory agreement between theory and experiment was obtained, and thereby the validity of the present theoretical model for predicting the radiation from a porous burner was confirmed. Keywords: Radiation heat flux, Porous burner, Premixed gas, Open-cellular porous material บทน า

หวเผาแผรงสแบบวสดพรน (Porous radiant burner) ไดมการใชประโยชนอยางกวางขวางในหลายวตถประสงค ยกตวอยางเชน ใชในขบวนการผลตกระดาษ การท าใหกระดาษแหง (Paper dying) การอบและการท าใหเสนใยแหง (Baking and textile dying) หรอแมแตการสรางความอบอนภายในบานเรอน (Domestic radiant heater) กมการใชประโยชนจากหวเผาแบบนแลว ขอดทโดดเดนของหวเผาแบบวสดพรนมสองขอ คอ หนงมความสามารถในการแผรงสไดสงและสองมลพษจาก การเผาไหมทปลดปลอยออกมามปรมาณต า ดวยเหตผลนท าใหนกวจยและวศวกรจ านวนมากมความสนใจและศกษาเกยวกบหวเผาชนดน ท งดวยวธการทดลองและทางทฤษฎ เพอพฒนาสมรรถนะ ใหดยงขน Echigo และคณะ (1986) เปนกลมงานวจยแรกทเสนอผลงานการเผาไหมในวสดพรน ทงการทดลองและทฤษฎ โดยพบวาวสดพรนจะชวยสงเสรมการเผาไหมใหดยงขนเนองจากการหมนเวยนพลงงานดวยการแผรงส (Radiation recirculation) (Weinberg, 1996) จากบรเวณเปลวไฟไป

92 NU Science Journal 2013; 9(2)

ยงไอดผสม (Unburned gas mixture) ทก าลงสงมายงระบบ กลมนกวจย Hanamura และ Echigo (1991) ไดท าการสรางแบบจ าลองทางคณตศาสตรขนมาเพอท านายต าแหนงและการเคลอนตวของเปลวไฟ (Dynamics of flame) ทเกดขนภายในวสดพรน ดวยอทธพลของปรมาณรงสทแผออกมาจากการเผาไหม ตอมา Khanna และคณะ (1994) ท าการทดลองหวเผาวสดพรนทท ามาจากเซรามกซ ชนด Partially stabilized zirconia (PSZ) พบวาประสทธภาพ การแผรงสแปรผกผนกบความเรวของเปลวไฟ ตอมา Mital และคณะ (1997) ไดศกษาทงดวยการทดลองและทฤษฎเกยวกบการแผรงสของหวเผาเซรามกซทเปลวไฟฝงตวอยภายในวสดพรน โดยมการใชวสดพรนแบบ 2 ชน (Two layers) พวกเขาพบวาประสทธภาพการแผรงสเพมขนตา คาอตราสวนสมมล (Equivalence ratio, ) และจ านวนชองตอหนงหนวยนว (PPI) ของช นวสดพรนตวลาง จากน น Pereira และคณะ (1998) ไดเสนอผลเปรยบเทยบแบบจ าลองของสกลไกการเผาไหมในวสดพรนเชอเพลงแกสมเทนแบบผสมกอน ประกอบไปดวยกลไกการเผาไหมแบบสมบรณ (Full mechanism: FM) กลไกการเผาไหมแบบโครงราง (Skeletal mechanism: SM) กลไกการเผาไหมแบบสขนตอน (4-step reduced mechanism: 4RM) และกลไกการเผาไหมแบบเดยว (1-step global mechanism: 1GM) จากผลการค านวณและเปรยบเทยบ พบวา 4RM มความแมนย าและสอดคลองกนเปนอยางดกบ SM และ FM ในสภาวะไอดบาง (Lean mixture) แตในแบบ 1GM มอตราการเกดปฏกรยาการเผาไหม (Reaction rate) สงกวาทกกลไกทงยงใหคาของอณหภมสงสด (Peak flame temperature) จากนนกลมนกวจย Bouma และ De Goey (1999)ไดสรางแบบจ าลองทางคณตศาสตรของหวเผาวสดพรนชนดเซรามกซขน โดยเลอกใชแบบ SM ในการท านายปรากฏการณการเผาไหมทเกดขน และยงท าการทดลองเพอยนยนผลการใชกลไกดงกลาว โดยเนนทปรมาณมลพษ จากการศกษาพบวาความสอดคลองของแกสไอเสย ระหวาง การทดลองและการค านวณเปนไปอยางนาพอใจ ซงมคาความแตกตางสงสดไมเกนรอยละ 15

จากงานวจยทกลาวมาขางตน การศกษาและการพฒนาเกยวกบหวเผาแผรงสแบบวสดพรนยงคงมสวนทตองปรบปรงและคนควาเพมเตมอกหลายอยาง ไมวาจะเปนการสรางหวเผาใหมโครงสรางไมยงยาก สามารถท าใหเปลวไฟเสถยรไดไมล าบาก และมปรมาณการแผรงสสง (ไมจ าเปนตองมวสดพรนหลายชน) รวมท งการท านายการเผาไหมโดยใชกลไกการเผาไหมทมคณตศาสตรทไมซบซอนในการแกปญหา แตใหผลการท านายทแมนย า ดวยเหตผลเหลานงานวจยนจงไดท าการศกษาทงการทดลองและแบบจ าลองทางคณตศาสตรของหวเผาแผรงสแบบวสดพรนชนดเซลลลารเปดแผนเดยว ในการท านายปรากฏการณการเผาไหมทเกดขน ในงานวจยนเลอกใชกลไกแบบเดยว (1GM) ของสมการอาร ร เนยสในการค านวณ ขนาดของอปกรณ วธการทดลอง จะด าเนนการเหมอนกบงานวจยทผานมาของคณะผเขยนบทความ (Krittacom and Kamiuto, 2009) ท งยงไดขยายผลการคนควาเกยวกบลกษณะเฉพาะของการแผรงส (Radiation emission characteristics) และโครงสรางอณหภม (Temperature profiles) ทเกดขนภายในชนวสดพรนแบบ


เซลลลารเปดใหมขอมล ความเขาใจทกวางขวางและลกซงยงขน โดยวสดพรนทเลอกใชในงานวจยนท ามาจากอะลมนา-คอรดไรท (Alumina-cordierite, Al-Co) ทมคาจ านวนรตอหนงหนวยนว (PPI) และ (Porosity, ) เทากบ 13 และ 0.872 ตามล าดบ นอกจากนผลการศกษาท งจากการทดลองและ การค านวณ จะถกน ามาเปรยบเทยบ เพออธบายผลและปรากฏการณจรงทเกดขนไดอยางถกตอง

อปกรณและวธการทดลอง

แผนผงอปกรณการทดลองไดแสดงไวในรป 1 ประกอบไปดวย 4 สวนทส าคญ ไดแก สวนทหนงกรวยกระจายการไหลของไอด (Conical flow distribution section) สวนทสองหองปรบ การไหล (Plenum chamber) สวนทสามหวเผาวสดพรน (Porous burner) และสวนสดทายทอไอเสย (Exhaust duct) ซงรายละเอยดของอปกรณและขนตอนการทดลองไดอธบายไวแลวในเอกสารอางองของ Krittacom และ Kamiuto (2009) และในทนขอสรปโดยคราวๆ เพอทบทวนดงน ไอดผสมระหวางมเทนและอากาศถกสงจากดานลางของระบบ ผาน Porous plug และ Packed sphere ซงเปนสวนทปองกนเปลวไฟยอนกลบจากการเผาไหม โดยความเรวเชอเพลงผสมขาเขา (Mixture velocity, Vmix) จะถกปอนใหกบหวเผาในชวง 5.8910-2 ถง 19.6210-2 m/s จนเมอไอดไหลมาถงวสดพรนทดานบนสดของหองปรบการไหล การเผาไหมจะเกดขน ในทนใช pilot flame ในการจดไฟ หลงจากเกดสภาวะเสถยรของเปลวไฟ ท าการวดอณหภมของผวดานลางและดานบน (Lower and upper surface temperatures: Ts, low and Ts, up) ของวสดพรน พรอมกนนกไดท าการวดรงสทแผออกมาจากผวดานบนของวสดพรน ดวยเครองมอวดรงสชนดผวหนาสองส (Two colors radiometer) ส าหรบรายละเอยดของเครองมอวดรงสชนดนกไดแสดงไวอยางละเอยดแลวเชนกนในเอกสารอางองของ Krittacom และ Kamiuto (2009) ขอบเขตการเผาไหมถกควบคมดวยการเปาดบ (Blow-off limit) และการยอนกลบ (Flash-back limit) ของเปลวไฟโดยขอบเขตดงกลาวแสดงอยในรปของอตราสวนสมมล () ซงการปรบคา นจะปรบพรอมกนทงมเทนและอากาศใหไดสดสวนตามทตองการ วสดพรนเซลลลารเปดชนดอะลมนา-คอรดไรททถกน ามาทดสอบเปนหวเผาแผรงสในงานวจยนมคาความพรนเทากบ 0.872 คา PPI เทากบ 13 และความหนาเทากบ 10.3 mm สงผลใหสมบตทางกายภาพของการแผรงส คอ สมประสทธการสนสญ (Extinction coefficient, β) และความหนาเชงแสง (Optical thickness, 0) มคาเปน 249.15 m-1 และ 2.57 ตามล าดบ


รป 1 แผนผงอปกรณการทดลอง

การวเคราะหทางคณตศาสตร แบบจ าลองกายภาพและสมการควบคมหลก

รป 2 แสดงแบบจ าลองกายภาพและพกดของระบบหวเผาแผรงสแบบวสดพรนเซลลลารเปด โดยแบบจ าลองกายภาพนไดแบงออกเปน 3 สวนหลก โดยสวนทหนงและสวนทสามเปนชองวาง ไมมวสดพรน (Free space) นยามเปนชวงขาเขา (Upstream region: -<x<0) และชวงขาออก (Downstream region: x0<x<) ตามล าดบ ส าหรบสวนตรงกลางเปนวสดพรน (Porous medium region: 0<x<x0) ซงสมมตฐานทส าคญเพอใชในการสรางแบบจ าลองทางคณตศาสตรนน ไดใชเชนเดยวกบงานวจยทผานมา (Krittacom and Kamiuto, 2009) จงไมขอกลาวซ าในทน ดงนน การค านวณการเผาไหมจะวเคราะหดวยทฤษฏเปลวไฟราบเรยบมาตรฐาน (A standard laminar flame theory) (Poinsot and Veynante, 2005) โดยมสมการควบคมหลก ดงตอไปน

รป 2 แบบจ าลองกายภาพและพกดของระบบ

Coolant (water)

Coolant (water)

100 m

m120 m

m

104 mm

109 mm

114 mm

CH4

Air

Covering ring

Porous medium

Support pipe

SUS 304 Stainless tube

Cooling pipe

Packed sphere

Porous plug

80 m

m

130 mm

Exhaust duct

150 m

mCoolant (water)

Coolant (water)

100 m

m120 m

m

104 mm

109 mm

114 mm

CH4

Air

Covering ring

Porous medium

Support pipe

SUS 304 Stainless tube

Cooling pipe

Packed sphere

Porous plug

80 m

m

130 mm

Exhaust duct

150 m

m

x = 0 x = x0x =x =

Unburned gas

(CH4 , Air)Burned gas

(CO2 , H2O, O2 , N2 )Porous

Medium

Ibu

qR-

Ibd

Cf f uf

qR+

x = 0 x = x0x =x =x =x =

Unburned gas

(CH4 , Air)Burned gas

(CO2 , H2O, O2 , N2 )Porous

Medium

Ibu

qR-qR-

Ibd

Cf f uf

qR+qR+


สมการอนรกษพลงงาน (The equation of energy conservation) และสมการอนรกษสปซส (The equation of species conservation) ในชวงขาเขาและชวงขาออกของระบบ ค านวณจาก

if f

Yu

x x

f i i i iY V WM , (i = 1, 2, …, N-1) (1)

Nf f

f f f f i i f ,ii 1

T Tu C Y VC

x x

Nf

f i i ii 1

Tk h W M

x x

(2)

เมอ f, uf, Tf และ kf เปนความหนาแนน (kg/m3), ความเรว (m/s), อณหภม (K) และสมประสทธ การน าความรอน (W/mK) ของสถานะแกส ตามล าดบ ส าหรบตวแปรทหอยดวยตว i ประกอบไปดวย Yi, Vi, iW , Mi และ hi หมายถง สดสวนมวล, ความเรวในการแพรของมวล (m/s), อตราการเกดปฏกรยา, มวลโมเลกล (kg/kmol) และเอนทาลปจ าเพาะ (kJ/kg) ของ i-th species นอกจากน ตวแปร N ทปรากฏในวงเลบของสมการท (1) กบในเทอมท 2 ของสมการท (2) หมายถง จ านวนของแกสทท าการค านวณ ซงงานวจยนไดใชแกส 6 แกสในขบวนการเผาไหม ดงน อากาศ, CH4, CO2, H2O, O2 และ N2

สมการอนรกษมวลและสมการอนรกษพลงงาน (พจารณาท งสถานะแกสและของแขง) ในชวงวสดพรน แสดงไดดงน

if f

Yu

x x

f i i i iY V WM , (i = 1, 2, …, N-1) (3)

Nf f

f f f f i i f ,ii 1

T Tu C Y VC

x x

v f sh T T N

ff i i i

i 1

Tk h W M

x x

(4)

ss v f s

1 T1 k h T T

3 x x

Rxq0

x

(5)

เมอ Ts และ ks คอ อณหภม (K) และสมประสทธการน าความรอน (W/mK) ของสถานะของแขงตามล าดบ คาตวแปรอนๆ ทปรากฏในสมการอนรกษพลงงานทงสองสมการ (สมการท (4) และ (5) ไดแก hv และ qRx หมายถง สมประสทธการถายเทความรอนเชงปรมาตร (W/m3) และฟลกซ การแผรงสตามทศทางการไหลของเชอเพลง (W/m2)

ส าหรบกลไกเดยวของสมการอารรเนยส ทใชในการค านวณครงนเปนสมการเดยวกนกบทใชในเอกสารอางองของ Krittacom และ Kamiuto (Krittacom and Kamiuto, 2009) นนคอ

i iW W i 4 2A CH O exp E RT (6)


เมอคาความถปฏกรยา (Frequency factor, A) พลงงานกระตน (Activation energy, E) มคาเทากบ 1.751011 m3/kmol-s และ 1.4106 kJ/kmol ตามล าดบ และI คอ สมประสทธสตอยชโอเมตรกของ i-th species

ในการหาค าตอบของสมการอนรกษพลงงานสถานะของแขง (สมการท (5)) อนพนธของ ฟลกซการแผรงส (Divergence radiative heat flux, qRx /x) และ Incident radiation (G) จ าเปนตองทราบค าตอบ ดงน นในการหาผลลพธปรมาณท งสอง สมการโดยประมาณของ P1 (The P1 approximation) จงไดถกน ามาแกปญหาน สมการโดยประมาณ P1 และขอบเขตการค านวณสามารถแสดงไดดงน

4Rxs1 G 4 T 0

x

q (7)

Rx

G3 1 g 0

x

q (8)

x = 0 : 4RxG 2 4 T q

x = x0 : 4

RxG 2 4 T q

เมอตวแปรทบงบอกถงสมบตทางกายภาพการแผรงสความรอนทปรากฏในสมการท (7) และ (8) นน ประกอบไปดวย β, ω และ ซงเรยกวา สมประสทธการสนสญ (m-1), อลเบโด (Albedo) และคาคงท สเตฟาน-โบลทแมนน (W/m2K4) ตามล าดบ

เงอนไขขอบเขต (Boundary conditions) ในการค านวณสมการหลกควบคม (Governing equations) ก าหนดโดย

x = - : Tf = Tmix, 4 2 4 2CH O CH O ,inY Y

x = 0 : sT x 0

x = x0 : sT x 0

x = : sT x 0 , iY x 0

นอกจากนในการค านวณหาปรมาณการแผรงสออกมาจากผวดานบนของหวเผาชนดนนน ค านวณมาจากฟลกซการแผรงสไปขางหนาทต าแหนงผวดานขาออกของระบบ นนคอ

R 0 0 Rx 0

1x G x 2 x

4 q q (11)

(10)

(9)


วธการค านวณ ในการค านวณจะจดสมการเชงอนพนธตาง ๆ เหลานใหอยในรปการค านวณผลตาง

โดยปรยาย (Implicit finite difference equation) ชวงขาเขาและขาออกของแบบจ าลองกายภาพ ซงแบงออกเปนชองเลกทเทาๆ กน (Node) จ านวน 100 Node ท งสองชวง แตในชวงวสดพรนจะแบงเปน 200 Node สวนการค านวณสมการโดยประมาณ P1 แบงชวงวสดพรนออกเปน 400 Node เรมท าการค านวณดวยการสมมตโครงสรางอณหภมของ Ts และ Tf โดยทคาอณหภมสงสดของ Tf จะสงกวาจดตดไฟ (Ignition point) ของมเทนและเพยงพอตอการท าใหแบบจ าลองเกดการเผาไหมได หลงจากนนจะไดผลลพธชดแรก คอ Yi, G และ qRx ออกมา คาผลลพธของตวแปรทไดท ง 3 คา (Yi, G และ qRx) จะถกสงไปใชในการค านวณหา Tf และ Ts อกครง ซงการหาค าตอบจะกระท าดวยวธการก าจดแบบเกาส (Gaussian elimination) ผลลพธของอณหภมทงสองจะน ากลบไปแทนทซ าในการหาคาของ Yi, G และ qRx ครงตอไปอยางตอเนอง จนกวาผลการเปรยบเทยบของอณหภมระหวางผลลพธกอนหนากบผลลพธทค านวณไดใหมมคาความแตกตางนอยกวา 10-4 จงหยดการค านวณ ผลและวเคราะหผลการทดลอง ขอบเขตการเผาไหมและโครงสรางอณหภม

สภาวะขอบเขตเปลวไฟเสถยรของหวเผาวสดพรนเซลลลารเปดชนดอะลมนา-คอรดไรท (Al-Co) ถกแสดงไวในรป 3 เมอขอบเขตการเปาดบ (Blow-off limit) เปนปรากฏการณทเปลวไฟ (Flame) เคลอนตวออกจากผวดานบนของแผนวสดพรนและเกดการดบ (Extinguishment) ในทสด โดยแสดงผานอตราสวนสมมล () มคาอยในชวงประมาณ 0.48 ถง 0.5 โดย ของการเปาดบ ในหวเผาแบบน จะมคาต ากวาการเผาไหมแบบปกตทวไป (Conventional combustion) ของเชอเพลงมเทน ( = 0.53) (Annamalai and Puri, 2007) อาจเนองมาจากจดเดนของวสดพรน ทมพนทผวสมผสตอหนวยปรมาตรสง ท าใหสามารถเกดการเผาไหมในสภาวะไอดทบางกวาแบบปกตทวไป ในทางตรงกนขามถาเปลวไฟเคลอนตวลงออกจากผวดานลางของแผนวสดพรน และเกดการดบ เรยกปรากฏการณนวาขอบเขตการยอนกลบ (Flash-back limit) ซงคา จะอยในชวง 0.62 ถง 0.76 นอกจากนผลการเปรยบเทยบระหวางการทดลอง และการค านวณดวยแบบจ าลองทางคณตศาสตรม ความสอดคลองกนไดเปนทนาพอใจทงการเปาดบและการยอนกลบ


Al - Co Burner

= 0.872

.4 .5 .6 .7 .8

V mix (m

/s)

0.00

.05

.10

.15

.20

.25

Blow-off Flash back

Experiment

Prediction

รป 3 ขอบเขตเปลวไฟเสถยร โครงสรางอณหภม

รป 4 แสดงอทธพลของอตราการจายเชอเพลงผสมกอน (Re) ทมตอโครงสรางอณหภมของทงสถานะแกสและของแขงในระบบการเผาไหม และอตราการเกดปฏกรยาการเผาไหม (Reaction rate, RR) ทสภาวะ = 0.5 จากรปท 4 จะพบวาต าแหนงของอณหภมแกสสงสดจะเกดขนในบรเวณใกลดานทางออกหรอผวหนาดานบน (Upper surface) ของวสดพรน และเมอ Re เพมขน อณหภมของทงสถานะแกสเคลอนตวไปอยทบรเวณผวหนาดานบนของหวเผา ดงจะสงเกตไดจากต าแหนงของอตราการเกดปฏกรยา (RR) ทเคลอนตวตาม คา Re ทเพมขน จากปรากฏการณนจงอาจกลาวไดวา เปลวไฟของหวเผาแบบวสดพรนเซลลลารเปดชนดน สามารถเกดขนไดอยางอสระบรเวณผวดานบนของวสดพรน โดยเกดขนไดท งภายในและภายนอกวสดพรน ตามการปรบคา Re ส าหรบผลเปรยบเทยบ ของอณหภมของแขงทผวหนาท งสองดานของวสดพรนระหวางการค านวณดวยแบบจ าลองทางคณตศาสตร และคาทวดไดจากการทดลองมความสอดคลองกนเปนอยางด

อณหภมผววสดพรน

รป 5 แสดงอณหภมผวของแผนวสดพรน (Surface temperature) พบวาอณหภมผวดานบนของวสดพรน (Ts, up) สงขนเลกนอยตามการเพมขนของ Re แตในกรณของอณหภมผวดานลางของ วสดพรน (Ts, low) กลบลดลงเพยงเลกนอย นอกจากนเมอพจารณาทคา Re คงทใด ๆ พบวา Ts, up สงขนตามปรมาณทเพมขนของ ซงปรากฏการเชนนเปนไปตามกายภาพการเผาไหมจรง เนองจากระบบไดรบเชอเพลงทเพมขนหรอปรมาณไอดผสมทหนาขน ยอมท าใหการเผาไหมมความรนแรงและสมบรณยงขน สงผลใหอณหภมในการเผาไหมมคาสงตามไปดวย


(=x/x0)-.5 0.0 .5 1.0 1.5

T f, Ts (K

)

0

500

1000

1500

2000

RR (=

HiRS

if2 Pr

Y CH

4Y O2ex

p(-Ea

/f)

0.0

.5

1.0

1.5

2.0

Porous Medium

Al-Co burner

= 0.5

RR

Re Experiment Prediction

2.243.694.925.54

Tf

Ts

Al-Co Burner

= 0.872

Re (=fufDs/f)0 1 2 3 4 5 6 7

T s (K)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Experiment Prediction

0.500.600.70

Ts,up

Ts,low

รป 4 โครงสรางอณหภมของระบบ ทไดรบอทธพลจากอตราการจายเชอเพลงผสมกอน (Re)

รป 5 การเปรยบเทยบอณหภมผวของวสดพรนระหวางการค านวณกบผลการทดลอง คาฟลกซแผรงสไปขางหนาแบบไรหนวย

รป 6 แสดงคาฟลกซแผรงสไปขางหนาแบบไรหนวย (+) ของหวเผาแผรงสวสดพรน พบวาคา + จะเพมขนอยางรวดเรวตาม Re และจะเพมขนอกเลกนอยหรอมคาเกอบคงทหลงจาก Re มคามากกวา 5 และหากพจารณาทคา Re คงท ผลปรากฏวา + เพมขนอยางรวดเรวตาม ในการเปรยบเทยบผลทค านวณไดท งสองรปกบการทดลองจะใหผลความสอดคลองกนเปนอยางด แตกสงเกตไดวาผลลพธทไดจากการทดลองมคาทสงกวาอาจเนองมาจากแบบจ าลองทางคณตศาสตรไมสามารถค านวณความซบซอนของกระบวนการการเผาไหมทแทจรง กลไกการถายเทความรอนของวสดพรน และการแผรงสไดอยางครบถวน ท าใหค าตอบทไดจากการค านวณมคานอยกวาการทดลอง


Al-Co Burner

= 0.872

Re (=fufDs/f)0 1 2 3 4 5 6 7

T s (K)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Experiment Prediction

0.500.600.70

Ts,up

Ts,low

รป 6 การเปรยบเทยบอณหภมผวของวสดพรนระหวางการค านวณกบผลการทดลอง

สรปผลการทดลอง จากผลการศกษาทไดรบ ประเดนส าคญของงานวจยน สามารถสรปไดตามหวขอดงตอไปน 1) สภาวะเสถยรของหวเผาแผรงสจะอยในชวงอตราสวนสมมล () การเปาดบประมาณ

0.48 ถง 0.5 และการยอนกลบของเปลวไฟมคาเปน 0.62 < < 0.76 2) เปลวไฟมการเคลอนตวจากภายในวสดพรนไปยงบรเวณผวหนาดานบนของแผนวสด

พรนตาม Re ทเพมขน และเกดการเสถยรอยบรเวณผวดานทางออกของหวพนไฟวสดพรนเซลลารแบบเปดชนดอะลมนา-คอรดไรท (Al-Co) ทมคา เทากบ 0.872

3) อณหภมผวดานทางเขาและทางออกของหวเผาวสดพรน ปรมาณการแผรงสแสดงในรปของฟลกซการแผรงสไปขางหนา (+) ขนอยกบอตราสวนสมมล () และอตราการจายเชอเพลง ผสมกอน (Re)

4) ผลลพธทไดจากการค านวณทางทฤษฏของฟลกซการแผรงสไปขางหนา (+) และอณหภมผวของหวเผาแบบวสดพรน (Ts) มความสอดคลองกนเปนอยางดกบผลการทดลองทได

กตตกรรมประกาศ

ผเขยนบทความขอขอบพระคณมหาวทยาลยเทคโนโลยราชมงคลอสาน (มทร.อสาน) ทไดสนบสนนเงนทนเพอใชในการด าเนนงานวจยครงนจนส าเรจลลวงไปไดดวยด และขอบพระคณ Mr. Shinichi Saito จากมหาวทยาลยโออตะ ประเทศญปน ในความอนเคราะหจดสงอปกรณ การทดลองบางอยาง เพอใชในการศกษาวจย จนท าใหงานวจยนส าเรจลลวงไปไดดวยด


เอกสารอางอง Annamalai, K. and Puri, I. K. (2007). Combustion science and engineering. New York, USA: CRC

Press. Bouma, P. H. and De Goey, L. P. (1999). H. Premixed combustion on ceramic foam burner.

Combustion and Flame. 119, 133-143. Echigo, R., Yoshizawa, Y., Hanamura, K. and Tomimura, T. (1986, August). Analytical and

experimental studies on radiative propagation in porous media with internal heat generation. Paper presented at the 8th International Heat Transfer Conference, 1986, San Francisco, USA.

Hanamura, K. and Echigo, R. (1991). An analysis of flame stabilization mechanism in radiation burners. Warme-und Sttoffubertragung. 26, 377-383.

Khanna, V., Goel, R. and Ellzey, J. L. (1994). Measurements of emissions and radiation for methane combustion within a porous medium burner. Combustion Science and Technology, 99, 133-142.

Krittacom, B. and Kamiuto, K. (2009). Radiation emission characteristics of an open-cellular porous burner. JSME Journal of Thermal Science and Technology, 4, 13-24.

Mital, R., Gore, J. P. and Viskanta, R. (1997). A study of the structure of submerged reaction zone in porous ceramic radiant burners. Combustion and Flame, 111, 175-184.

Pereira, J. C. F. and Zhou, X. Y. (1998). Comparison of four combustion models for simulating the premixed combustion in inert porous media. Fire and Materials, 22, 187-197.

Poinsot, T. and Veynante, D. (2005). Theoretical and numerical combustion (2nd ed). Philadephia, USA: R.T. Edwards, Inc.

Weinberg, F. J. (1996). Heat-recirculating burners: principles and some recent developments. Combustion Science and Technology, 121, 3-22.

Documents

Bundit Krittacom* Pipatana Amatachaya and Ittipon Worapun for ThaiScience/Article/62/10029944.pdf · ประกอบไปด้วยกลไกการเผาไหม้แบบสมบูรณ์