Computational Modeling of the Biofuel Combustion: Energy and Exergy Study

Abstract

الملخص:

يعدّ الوقود المستخرج من البترول الأكثر انتشارًا في مجال النقل والمواصلات, بحيث ينتج عن عملية احتراقه تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة ميكانكية في المحرك الحراري. كما تخضع عملية الاحتراق لمعايير معينة، مثل مصدر الوقود، وانبعاث الملوثات، والشروط البيئية، وفعالية الطاقة. في ضوء تطور المحاكاة الحاسوبية تعدُّ النمذجة العددية طريقة فعالة لمعالجة الظواهر المعقدة المتوافقة مع التي توجد في النظام التجريبي، وذلك لأن الدراسة التجربية مكلفة وتتطلب ظروفًا خاصة. ففي هذه الرسالة تمت دراسة الاحتراق المضطرب غير مسبق المزج لغرفة احتراق اسطوانية مزودة بعدة أنواع من الوقود مثل الوقود الحيوي, الميثان, الغاز الطبيعي, الغاز المميع, البروبان وفق مرحلتين. ففي المرحلة الاولى قمنا بمحاكاة الخصائص الايروكيميوحرارية للاحتراق باستخدام النماذج المقترنة: النموذج الديناميكي (k−ɛ) و نموذج الاحتراق (flamelet PDF). ومن ثم حساب المتغيرات التي تميز ظاهرة الاحتراق مثل السرعة، درجة الحرارة والأنواع الكيميائية (CO, CO2, H2O, OH, and NO). وفي المرحلة الثانية تطرقنا الى التحليل الترموديناميكي، بحيث طبقنا القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية على جميع حالات احتراق الوقود المذكور آنفا للتنبؤ بفقدان الطاقة وتدمير الاكسيرجي، والكفاءات الموافقة. بعد ذلك قمنا بتقديم بعض التغييرات في الشروط النظامية لغرفة الاحتراق (عامل الهواء، درجة حرارة الهواء، ودرجة حرارة الوقود) لتحليل الفعالية الطاقوية للاحتراق وتحديد الظروف المناسبة التي تحسن الكفاءة وتقلل من ضياعها. ومن خلال النتائج المتحصل عليها تبين أن للوقود الحيوي قدرة عالية على المزج والاحتراق مقارنةً مع أنواع الوقود الأخرى، كما أنه يتميز بانخفاض انبعاث الملوثات (NO وCO). وبالتالي يمكن أن يكون الوقود الحيوي مصدرًا طاقويًّا واعداً من حيث انه وقود نظيف، وأيضا من الناحية الطاقوية أبدى قيمة فعالية جيدة مقارنةً بباقي أنواع الوقود المدروسة.

Résumé : فرنسية أو انجلزية

The petro-fuel is the most prevalent using in the transport sector because combustion is the process used to convert chemical energy to mechanical energy through the thermal engine. The combustion is the subject of many standards, such as a fuel source, pollutants emissions, environmental criteria, energy reliability, and efficiency. Besides, the development of computer simulation tools and mathematical models leads to introducing the complex phenomena those exist in the experimental system. Consequently, the simulation is considered as an effective way to address these phenomena because the experimental study is expensive and requires special conditions. In this thesis, we investigate the turbulent non-premixed combustion in a cylindrical combustion chamber supplied by many fuels such as biofuel, natural gas, LPG, CH4, and C3H8. Firstly, we simulated the aerothermochemical aspects of turbulent combustion focusing on the coupled models, such as the turbulent dynamic model (k−ɛ) and the combustion model (flamelet PDF). Therefore, we illustrated the computed parameters those depend on the combustion like the velocity, temperature, and chemical species (CO, CO2, H2O, OH, and NO). Then, we applied the First and Second Laws of thermodynamics for all fuels combustion cases considered previously to predict the energy loss, exergy destruction, and corresponding efficiencies. After that, we introduced some variations in the inlet conditions (air factor, air temperature, and fuel temperature) to analyze the combustion system performance and select the adequate conditions that improve the efficiency and reduce the losses in the considered systems. Biofuel presents a high ability to mix and burn relatively to other fuels; it is also characterized by low emissions of pollutants (NO and CO). Finally, biofuel presents a potential fuel in terms of clean fuel and energy efficiency compared relatively to the other fuel cases.

Les pétrocarburants sont les plus utilisés dans le secteur de transport et la production de l’énergie, où il utilise la combustion afin de convertir l'énergie chimique en énergie mécanique ou électrique grâce au moteur thermique. En outre, la combustion est soumise aux certaines normes comme le carburant, émissions de polluants, critères environnementaux, fiabilité et efficacité énergétique. Par ailleurs, le développement des outils d’informatique et des modèles mathématiques a conduit d’introduire des phénomènes complexes identique de l’expérimental. Par conséquent, la simulation numérique est considérée comme un moyen efficace d'aborder ces phénomènes car l'étude expérimentale est coûteuse et nécessite des conditions particulières. Dans cette thèse, nous étudions la combustion turbulente non-prémélangée dans une chambre de combustion cylindrique alimentée par de nombreux carburants tels que le biocarburant, le gaz naturel, le GPL, le CH4 et le C3H8. Dans la première partie du travail, nous avons étudié les aspects aérothermochimiques de la combustion turbulente utilisant le couplage du modèle dynamique de la turbulence (k−ɛ) et le modèle de combustion (flamelet PDF). Ensuite, les paramètres caractérisant les différentes aspects de la combustion sont illustrées comme la vitesse, la température et les espèces chimiques (CO, CO2, H2O, OH et NO). La deuxième partie se base sur l’application de la première et la deuxième loi de la thermodynamique pour appliquer l’analyse énergétique et éxergétique afin de choisir le carburant le plus efficace énergétiquement. En plus, quelques techniques d’améliorations de la fiabilité du système sont appliquées (la variation du facteur d'air, température de l'air et température du carburant) pour analyser les performances du système de combustion et sélectionner les conditions adéquates qui améliorent l’efficacité et réduisent les pertes dans les systèmes considérés. Enfin, le biocarburant présente une grande capacité de mélanger et de brûler par rapport aux autres carburants ; qu’il se caractérise également par des faibles émissions de polluants (NO et CO). Aussi les résultats montrent que le biocarburant est une source potentielle en termes de carburant propre et d'efficacité énergétique par rapport aux autres types de carburants.