أساسيات الديناميكية الحرارية

فالاستعمال في جوهره هو تفاعل كيميائي خارجي بين الوقود والأكسجين من مادة الأكسديزر - التي تطلق الحرارة والضوء، ويوفر النموذج الحراري إطاراً رياضياً للتنبؤ بتحولات الطاقة، وتركيزات الأنواع، والحالة النهائية لمنتجات الاحتراق، وهذا الفهم أساسي لتصميم نظم حرق أنظف وأكثر كفاءة في عمليات توليد الطاقة، والنقل، والنفايات الصناعية.

تحويلات الطاقة والقانون الأول

إن قانون حرارة الحرارة () الأول هو مبدأ حفظ الطاقة - الحالات التي لا يمكن فيها خلق الطاقة أو تدميرها، ولا يتحول إلا من شكل إلى آخر، وفي نظام الاحتراق، تحول الطاقة الكيميائية المخزنة في سندات الوقود إلى الطاقة الحرارية (اللحوم) وربما العمل الميكانيكي (مثلاً حركة البستون في المحركات).

كما أن أرصدة الطاقة العملية تمثل الاحتراق غير المكتمل حيث لا يزال بعض الوقود غير محترق أو مكسّر جزئيا (إنتاج ثاني أكسيد الكربون أو H2 أو الهيدروكربونات) وهذه أوجه القصور لا تسهم في توليد الطاقة فحسب بل تسهم أيضا في تلوث الهواء، ولذلك يجب أن يتضمن النموذج الديناميكي الحراري حدودا للرد وافتراضات التوازن للتنبؤ بتكوين غازات العادم.

Entropy and the Second Law

وفي حين أن القانون الأول يخبرنا عن مدى توافر الطاقة، فإن ] Second Law of Thermodynamics) يؤدي إلى الحد من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، ويحد من احتمالات حدوثها من حيث الكفاءة في تصميمها، ويحد من احتمالات حدوثها من حيث الشكل من حيث الاختلالات، ويحد من التفاوت في الإنتاج الكيميائي.

التوازن الكيميائي والكيني

وكثيراً ما يفترض النموذج الحراري التوازن الكيميائي في منتجات الاحتراق التي تعني الدولة، وقد انتقلت ردود الفعل إلى مرحلة تدني فيها الطاقة الحرّة للنظام لدى جيبز، وهذا الافتراض المتوازن يعمل جيداً في عمليات التحلل العالي، وعمليات التحلل البعيد، مثل المحروقات الثابتة، ومع ذلك في المحركات والأوعية الغازية التي تكون فيها فترات الإقامة قصيرة،

النُهج الرئيسية للنمذجة

نماذج التوازن ضد الكينيتسا المفصَّلة

وتفترض أبسط نماذج التبديل الحراري توازناً كاملاً، باستخدام معامل التقلبات المتعددة الأطراف () في وكالة الفضاء الأوروبية () بالنسبة للحرارة المحددة وأجهزة التحلل الحراري، وهي نماذج متجانسة سريعة ومناسبة في كثير من الأحيان لفحص التصميم الأولي، وهي تنبأ بدرجات حرارة اللهب والأنواع الرئيسية (CO2، H2O، N2) مع وجود مقياس معقول للدقتها.

الديموغرافيا الحاسبية للفلويد

ويحدث الحرق في بيئة مزدهرة ومضطربة، ويجب أن تكون نماذج الحرارة بين ] [العلامات الخافضة للتوتر السطحي]، وأجهزة التبريد المتطورة، وأجهزة التنبؤ بالحجم الحراري، وتفاعلات الكيمياء المنخفضة، ودرجة الحرارة في إطار عوامل الانقلاب، ودرجة الحرارة المشتعلة، ودرجة الحرارة السائدة في إطار عوامل التقلب.

نماذج الآثار والملكية الحقيقية

وفي ظل الضغوط العالية - التي تتسم بها محركات الاحتراق الداخلي والتركيبات الغازية - يبدأ القانون النموذجي للغاز في التقليل من الكثافة وتقدير القابلية للضغط، وتشمل معادلة الغازات الحقيقية للدولة (مثلاً، مجموعة من أنواع الغازات المحتوية على نوع (Peng-Robinson) وأرصدة الغازات المحتوية على نوع (Fave-Redlich-Kwong) أن تستخدم في وضع نماذج دقيقة للخصائص الحرارية.

ميزان الطاقة وكفاءة الاستخدام

حساب معدلات إطلاق الحرارة

ومعدل إطلاق الحرارة هو البارامتر الحاسم المستمد من النموذج الحراري، وهو يصف مدى سرعة تحويل الطاقة الكيميائية إلى الطاقة الحرارية، وفي محركات المعالجة بالمثل، فإن الصورة العامة للوقود المزودة بمقياس للجرعات تحدد ضغط الملوِّثات، ومنتجات العمل، وتكوين الملوثات.

الخسائر والسيولة

وكل عملية احتراق حقيقية تعاني من خسائر: فقدان الحرارة إلى التبريد، وعدم اكتمال الاحتراق، والاحتكاك، وترك النظام، وتحلل القانون الثاني هذه الخسائر إلى مكونات قابلة للتحلل ولا يمكن تجنبها، وعلى سبيل المثال، في حالة حدوث تسرب غازي، يتم تدمير نحو 30 في المائة من الطاقة الارتجاعية بسبب تفاعل الحرق نفسه (وهو ما يمثل ضرورة إثراء الوقود).

الأثر على الانبعاثات

كما أن زيادة الكفاءة الحرارية تعني عادة استهلاك الوقود الأقل استهلاكاً لنفس الناتج، مما يقلل مباشرة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، غير أن المكاسب الناتجة عن زيادة درجات الحرارة يمكن أن تزيد من تكوين ثاني أكسيد الكربون، وبالتالي فإن النموذج الحراري الديناميكي يجب أن يستكشف المفاضلة، مثلاً، انخفاض معدل إطلاق غازات العادم عند درجة حرارة الارتفاع، إذا ما أدى إلى انخفاض الحد الأمثل من حرارة المحركات إلى إحداث الاحتراق.

تطبيقات تكنولوجيات خفض الانبعاثات

الاحتراق المنخفض

(ب) استراتيجيات الاحتراق المنخفض الحرارة، مثل الإشعال المتجانس للضغط على المركبات، وتشويه الضغط على أجهزة ضغط الدم، وضغط التراكم المضغوط، وضبط الحرارة المضغوطة، وضبط التكوينات الكيميائية، وضبط نماذج التكتل الحرارية، وضبط الحرارة الأساسية، وضبط الحرارة المحيطة، وضبط الحرارة، وضبطها، وتجنبها أيضاً.

تشكيلة من الحشد وربط الغازات المفلورة

وفي أجهزة الحرق والمغليات الصناعية، يؤدي نقل الهواء أو الوقود إلى إنشاء مناطق محمية مختلفة، وفي التخصيب الجوي، تعمل أجهزة الحرق الأولية على إنتاج الوقود (تكوين مركب مخفض) بينما يستكمل الهواء الثانوي عند درجات الحرارة المنخفضة، ويستلزم النموذج الحراري للحرق المرحل حلا لمستويات متعددة من المكافئات/المناجم الارتقاء بمنتجات الفلورية المتطاولة.

الوقود البديل وبيع الوقود

(أ) إن الدافع إلى الانبعاثات الأنظف قد أثار الاهتمام بالوقود البديلة: الهيدروجين والأمونيا والوقود الأحيائي والوقود التركيبي، وخلائط الغاز الطبيعي، ولكل وقود نمط مميز من سمات الحرارة وتصرفات حركية، وغاز الازدحام المغناطيسي، مثلاً، هو سرعة حرارة عالية جداً وقابلية للاشتعال إلى مخاطر حدوث زيادة في النمطينات الحرارية().

تقنيات النماذج المتقدمة والتوجيهات المستقبلية

نماذج التعلم والاستجمام

ويمكن أن تشمل آليات حركية كيميائية محددة آلاف الأنواع وردود الفعل، مما يجعلها بطيئة جداً في التحكم في الوقت الحقيقي أو محاكاة كاملة النطاق للديوكسينات الفلورية، ويتحول الباحثون بشكل متزايد إلى شبكات جديدة للتعلم الآلي، وعملية الجاز في غاوسيان، ويخلقون نماذج بديلة تخفف من سرعة استخدام المدخلات والنماذج المتحركة المفصلة.

رصد ومراقبة الوقت الحقيقي

وقد أصبحت نظم الاحتراق الحديثة مجهزة بصورة متزايدة بأجهزة استشعار الضغط ودرجة الحرارة والانبعاثات، وقد أظهرت البيانات التي تغذيها نماذج الفيزياء أو البيانات التي تضبط معايير التشغيل في الوقت الحقيقي، فعلى سبيل المثال، فإن نموذجاً للحركة الحرارية يعمل على جهاز التحكم يمكن أن يُستدل من درجة الحرارة في الخلايا من تحليل أثر الضغط ثم يُعدل التوقيت المحسوب لإبقاء درجات الحرارة تحت عتبة البحث غير المتجانسة.

نحو نظم التعبئة من أجل عدم الانبعاثات

كما أن الهدف النهائي هو نظم الاحتراق التي تنتج انبعاثات ضارة قرب الصفر. [FLT]-وقود الاحتراق

وباختصار، فإن النموذج الحراري لعمليات الاحتراق أداة لا غنى عنها لخفض الانبعاثات، ويتيح للمهندسين تحليل تدفقات الطاقة، والتنبؤ بتشكيل الملوثات، وتحسين ظروف التشغيل إلى أقصى حد قبل الالتزام بتغيير المعدات، ومع تقدم زيادة الطاقة المحوسبة وتقنيات النماذج بصورة خاصة عن طريق إدخال أساليب محركية وتقنية محركية أكثر نظافة، فإن تسارع وتيرة التقدم في المستقبل وسرعة هذه النماذج سوف يستمران في تحسينه.