Προσομοίωση λειτουργίας λέβητα για καύση βιομάζας

Abstract

Στην παρούσα Διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε αριθμητική προσομοίωση λειτουργίας πρότυπου λέβητα βιομάζας, τριπλής διαδρομής. Ειδικότερα, πραγματοποιήθηκε μελέτη καύσης στερεών σωματιδίων άνθρακα, με σκοπό την παραγωγή ατμού. Η μοντελοποίηση της μεταφοράς σωματιδίων είναι ένα πολυφασικό μοντέλο, όπου τα σωματίδια παρακολουθούνται μέσα στη ροή με Lagrangian τρόπο, αντί να μοντελοποιούνται ως μια επιπλέον Eulerian φάση. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας, αναπτύχθηκε ένα ολοκληρωμένο μοντέλο που επιλύει το τυρβώδες ροϊκό πεδίο λαμβάνοντας υπόψη τα φαινόμενα καύσης και ακτινοβολίας. Για την ανάπτυξη του μοντέλου χρησιμοποιήθηκε το εμπορικό πακέτο Ansys Fluent, ενώ για τη σχεδίαση χρησιμοποιήθηκε το εμπορικό πακέτο Solidworks. Απώτερος σκοπός της παρούσας Διπλωματικής εργασίας είναι η πραγματοποίηση παραμετρικής ανάλυσης, για την επίδραση διαφόρων παραμέτρων όπως είναι η θερμοκρασία εισόδου του καυσίμου, η θερμοκρασία εισόδου του αέρα, καθώς και η περίσσεια αέρα. Η παρούσα διπλωματική εργασία χωρίζεται σε 5 κεφάλαια. Στο 10 κεφάλαιο παρουσιάζονται ορισμένα στοιχεία για την εκμετάλλευση και τη τροφοδοσία της βιομάζας σαν καύσιμο, τον ρόλο της στην Ευρωπαϊκή οικονομία, καθώς και την κατηγοριοποίηση της. Τέλος, γίνεται μια γενική επισκόπηση της καύσης της βιομάζας με παρουσία άνθρακα και την επίδραση διαφόρων χαρακτηριστικών της βιομάζας. Στο 20 κεφάλαιο γίνεται εκτενής αναφορά στις μαθηματικές σχέσεις οι οποίες διέπουν τη φυσική της ροής και της καύσης. Παρουσιάζονται και αναλύονται όλα τα μοντέλα και οι εξισώσεις που χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση της λειτουργίας του λέβητα. Πιο συγκεκριμένα αναλύονται τα μοντέλα τύρβης, καύσης, μεταφοράς ενέργειας, ακτινοβολίας και των αντιδράσεων. Στο 30 κεφάλαιο παρουσιάζεται ο αρχικός σχεδιασμός της γεωμετρίας, αναλύονται τα προβλήματα που παρουσιάστηκαν και ο τελικός σχεδιασμός της γεωμετρίας. Επίσης, γίνεται αναφορά στη δημιουργία υπολογιστικού πλέγματος και στον τρόπο που επιλέχθηκε. Τέλος, παρουσιάζονται το καύσιμο και οι ιδιότητες του, καθώς και οι οριακές συνθήκες. Στο 40 κεφάλαιο γίνεται παράθεση και ανάλυση των αποτελεσμάτων για κάθε περίπτωση. Επίσης, γίνεται σύγκριση διάφορων προσομοιώσεων, ώστε να αναλυθεί η επίδραση της περίσσειας αέρα, της προθέρμανσης του αέρα και της θερμοκρασίας του καυσίμου. Στο 50 κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα καθώς και οι προτάσεις για περαιτέρω μελέτη και έρευνα του συγκεκριμένου λέβητα.