ر.مهندسين اقدم / خلف ورور عيسى زامل
تــعــدد انــواع الــوقــود الـمستخدم في وحدات توليد الطاقة الكهربائية لذلك تسعى الشركات المصنعة لوحدات الـتـولـيـد بـتـحـديـث الـتصـامـيـم الـمـحـركـات الاحـتراق الداخلي والاجزاء الداخلية لـلـتـوربـيـن لـكـي تـتـحـمـل درجــات حــرارة عالية وانضغاط لذلك نلاحظ ان كافة الشركات المصنعة تـسـعـى الــى زيـادة كـفـاءة الـوحدة التوليدية وتقليل الانبعاثات NOX من العادم وذلك بتحسين اداء المـحـرك الـتـوربيـنـي والـضـاغـط مــن خــلال الـتــصــامـيم الحديثة لغرف الاحتراق وزوايا وتصميم الريشة لكي تتحمل درجات حراره عالية وانضغاط وتقليل الاجهاد الحراري .
تــضــمــن الــبــحــث الـمعد الطرق والاساليب الحديثة المتبعة لتقليل الاجهاد الحراري وطرق تحسين كــفــاءة واداء الـمـحـرك الـتـوربـيـني وتقليل الانبعاثات الملوثة للبيئة من خلال ادخال تصاميم حديثة وطلاء المواد والاجزاء الداخلية للمحرك التوربيني والضاغط .
كــذلــك اسـتـخـدام الـوقـود الـنظيف الخـالي من الشوائب والملوثات لتقليل نسب المواد الملوثة والتي لها تأثير سلبي على البيئة .وهناك تأثير لعوادم محركات الاحتراق الداخلي على تلوث الهواء
إن الـزيـادة في استخدام وسائل النقل من طائرات وسفن وقطارات وسيارات وتنوع مصادر الطاقة وتوليد الكهرباء ساهمت كثيرا في خدمة الانسان بشكل كبير من تسهيل الحركة والتنقل والاستفـادة من الوقت الا ان هذا التطور المهم أدى إلى ظهور الكثير من الـمـشـاكـل والـعـواقـب الـسـيـئـة عـلى صحة الإنسان وعلى كل الكائنات الحية وعلى البيئة، نتيجة التلوث الصادر مـن هـذه الـــوســائـــــل خاصة انبعاثات عوادم المحركات.
تعتبر محركات الاحتراق الداخلي بمـخـتـلـف أنـواعـهـا واستخداماتها تشكل مصدراً رئيساً لا يستهان به في مجال تلوث الهواء، بسبب ما تنتجه هذه المحركات من انبعاثات ضارة التي لها آثاراً ســلـبية على الإنسان وسائر الكائنات الحية. ومن اهم هذه الانبعاثات هي اكـاسـيـد النـتروجين وأول اوكسيد الكربون وثاني اوكسيد الكربون والهيدروكـاربـونـات الـغـيـر محترقة والــدخــان ايــضـــا ان اهـــــم التأثيرات البيئية لنواتج احتراق الوقود وهي ظاهرة الاحتباس الحراري والامطار الحمضية والــتــي تؤدي الى القضاء على التنوع الحيوي وتسبب العديد من الامراض لدى الانسان.
وهناك عدة طرق يمكن استخدامها لتحسين كفاءة محرك الاحتراق الداخلي، ومنها:
1 – تحسين خليط الوقود والهواء يمكن القيام بذلك عن طريق ضبط نسبة الهواء والوقود، مما يمكن أن يساعد في تحسين خرج طاقة المحرك وكفاءته. ..
2 – ترقية نظام الإشعال: يمكن لنظام الإشعال الأكثر تقدما أن يساعد في تحسين أداء المحرك وكفاءته من خلال ضمان حرق الوقود بشكل كامل.
3 – تنظيف المحرك يمكن للمحرك المتسخ أن يقلل من الكفاءة، لذا فإن التنظيف المنتظم يمكن أن يساعد في تحسين أداء المحرك.
4. استخدام وقود ذو أوكتان أعلى يمكن أن يساعد الوقود ذو الأوكتان العالي في تحسين كفاءة المحرك عن طريق تقليل خطر الخبط أو الاشتعال المسبق.
5. تركيب شاحن توربيني أو شاحن فائق يمكن أن تساعد هذه الأجهزة في زيادة خرج طاقة المحرك وكفاءته عن طريق دفع المزيد من الهواء إلى المحرك.
6. تحسين نظام التبريد: يمكن لنظام التبريد الأكثر كفاءة أن يساعد في الحفاظ على تشغيل المحرك : عند درجة حرارة أكثر مثالية، مما قد يؤدي إلى تحسين الكفاءة.
7. استخدام نظام حقن الوقود يمكن أن يساعد نظام حقن الوقود في تحسين كفاءة المحرك من خلال ضمان توصيل الوقود بشكل أكثر دقة وثباتًا.
8. ترقية نظام العادم: يمكن لنظام العادم الأكثر كفاءة أن يساعد في تحسين أداء المحرك وكفاءته عن طريق تقليل كمية الضغط الخلفي في المحرك.
9. الصيانة الدورية يمكن أن تساعد الصيانة الدورية، مثل تغيير الزيت والضبط في الحفاظ على تشغيل المحرك بسلاسة وكفاءة.
10. ترقية المحرك نفسه يمكن أن تساعد ترقية المحرك بمكونات أكثر كفاءة، مثل عمود الحدبات عالي الأداء أو المكبس عالي الضغط في تحسين كفاءة المحرك.
ومن الطرق التي تعمل على تحسين كفاءة المحرك الحراري عن طريق زيادة نسبة الاحتراق /
تحسين خليط الوقود والهواء تأكد من النسبة الصحيحة للوقود والهواء للمحرك المحدد لتحقيق اقصى قدر من كفاءة الاحتراق.
تعزيز الإشعال استخدم نظام إشعال أكثر كفاءة أو شمعات الإشعال لتحسين عملية الاحتراق.
زيادة الاضطراب تحسين تدفق الهواء والوقود داخل غرفة الاحتراق لتحسين الخلط وزيادة الاضطراب من أجل احتراق أكثر كفاءة.
تحسين نقل الحرارة استخدم مواد ذات موصلية حرارية أعلى في المحرك لتحسين نقل الحرارة من غرفة الاحتراق إلى سائل العمل.
تقليل فقد الحرارة تقليل فقدان الحرارة من المحرك عن طريق تحسين العزل وتقليل خسائر نظام التبريد
ولكفاءة محركات الاحتراق الداخلي تتفاوت باختلاف أنواع المحركات وتعتمد على العديد من العوامل. ومع ذلك، فإن الحدود النظرية لكفاءة محركات الاحتراق الداخلي تتراوح بين ٣٠ إلى ٤٠ بالمئة وهذا يعني أنه يمكن استخدام 30 إلى ٤٠ بالمئة فقط من الطاقة الموجودة في الوقود التحويلها إلى حركة.
ومع ذلك، فإن معظم محركات الاحتراق الداخلي الحالية تتراوح كفاءتها بين ١٥ إلى ٢٥ بالمئة، وذلك بسبب العديد من الخسائر الحرارية والاحتكاكية والتيار الكهربائي والضوضاء والاهتزازات والإستخدام غير الفعال للوقود. وتعتمد كفاءة محركات الاحتراق الداخلي على العديد من العوامل.
والاجهاد الحراري ينتج من تقلبات درجة الحرارة داخل المادة أو النظام في سياق محركات الاحتراق الداخلي، يحدث الإجهاد الحراري بسبب التمدد والانكماش السريع للغازات أثناء عملية الاحتراق يمكن أن يتسبب ذلك في تشويه مكونات المحرك أو تزييفها أو تشققها، مما يؤدي إلى انخفاض الكفاءة والموثوقية. تعتمد كفاءة محرك الاحتراق الداخلي بشكل كبير على قدرة مكوناته على تحمل الإجهاد الحراري. عندما تتعرض المكونات للخطر بسبب الإجهاد الحراري، فقد يؤدي ذلك إلى انخفاض الأداء وزيادة التأكل وفي النهاية انخفاض الكفاءة الإجمالية .
وللاحتراق الكامل تأثير على كفاءة المحركات الحرارية الذي ينتج من عملية تحويل الوقود إلى ثاني أكسيد الكربون والماء في محرك حراري بطريقة تم تحقيقها تقريبا دون وجود بقايا غير محترقة. ويحدث هذا النوع من الاحتراق عندما يتم دمج كمية كافية من الوقود مع الهواء وتسخينهما بشكل كافي لتشكيل روابط كيميائية بين ذراتهما.
ويؤثر الاحتراق الكامل على كفاءة المحركات الحرارية بطريقتين أساسيتين. أولاً، من خلال زيادة كميلة الطاقة المحررة من الوقود المستخدم، حيث يتم تحويل معظم الوقود إلى طاقة يمكن استخدامها ضمن الدورة الحرارية للمحرك. ثانيًا، من خلال الحفاظ على كفاءة المحرك عندما تتم عملية الاحتراق بشكل مثالي ويتم تشكيل الغازات بالشكل الصحيح، وبالتالي يؤدي إلى تقليل تشكيل الملوثات الخارجية مثل أكاسيد النيتروجين والجزيئات الصلبة
يمكن أن يؤثر الإجهاد بشكل غير مباشر على معدل الاحتراق الحراري من خلال تأثيره على المواد والمكونات الداخلة في عملية الاحتراق. ومع ذلك، فإن الإجهاد في حد ذاته لا يؤثر بشكل مباشرا على معدل الاحتراق الحراري. يتم تحديد معدل الاحتراق الحراري بشكل أساسي من خلال عوامل مثل درجة الحرارة والضغط ووجود الأكسجين أو العوامل المؤكسدة الأخرى.
وتؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على كفاءة محركات الاحتراق الداخلي، فعندما ترتفع درجة الحرارة في الغرفة الحرارية للمحرك، فإن ذلك يؤدي إلى زيادة ضغط الهواء داخل الغرفة الحرارية وبالتالي زيادة قوة دفع الأسطوانات وتحسين أداء المحرك.
هناك مقياس لقياس كفاءة الاحتراق حيث يتم تحويل الطاقة الكيميائية الناتجة عن الاحتراق إلى عمل ميكانيكي. إنها نسبة مخرجات العمل الميكانيكي إلى مدخلات العمل الكيميائي، معبرا عنها كنسبة مئوية.
يمكن حساب كفاءة الاحتراق باستخدام الصيغة التالية:
كفاءة الاحتراق = (مدخل الشغل الميكانيكي / مدخل الشغل الكيميائي) × 100
ناتج العمل الميكانيكي هو مقدار العمل الذي يقوم به المحرك، ويتم قياسه عادة بالحصان أو الواط في حين أن مدخل العمل الكيميائي هو مقدار طاقة الوقود المتاحة للاحتراق، ويتم قياسه عادةً بوحدة حرارية بريطانية أو الجول.
الحساب كفاءة الاحتراق، ستحتاج إلى معرفة مخرجات العمل الميكانيكي ومدخلات العمل الكيميائي للمحرك الحراري المعني.
هناك عدة الطرق لتحسين كفاءة المحرك الحراري من خلال تحسين عملية الاحتراق.
1. تحسين خليط الهواء والوقود إن ضمان نسبة الهواء والوقود الصحيحة للاحتراق يمكن أن يؤدي إلى احتراق أكثر اكتمالاً وتقليل كمية الوقود غير المحترق الخارج من غرفة الاحتراق وبالتالي تحسين الكفاءة.
2. استخدام الوقود عالي الأوكتان يتمتع الوقود عالي الأوكتان بمقاومة أعلى للطرق، مما يسمح باحتراق أكثر اكتمالاً وتقليل هدر الوقود.
3. تحسين توقيت الإشعال يضمن توقيت الإشعال المناسب احتراق الوقود بالكامل، مما يقلل من كمية الوقود غير المحترق الخارج من غرفة الاحتراق وتحسين الكفاءة.
4. استخدام تقنيات الاحتراق المتقدمة يمكن لبعض تقنيات الاحتراق المتقدمة، مثل الإشعال بالضغط المتجانس للشحنة (HCCI) أو الإشعال بالضغط الذي يتم التحكم فيه بالتفاعل (RCCI) تحسين كفاءة المحرك الحراري من خلال السماح باحتراق أكثر اكتمالاً وتقليل كمية الوقود غير المحترق المتبقي غرفة الاحتراق.
5. تقليل فقدان الحرارة: إن ضمان نقل الحرارة المتولدة أثناء الاحتراق بشكل فعال إلى سائل العمل يمكن أن يحسن كفاءة المحرك الحراري. ويمكن تحقيق ذلك من خلال عزل أفضل، أو تحسين المبادلات الحرارية، أو استخدام مواد ذات موصلية حرارية أعلى.
وتوجد العديد من الطرق الحديثة للحد من انبعاث الغازات الضارة في محطات توليد الكهرباء ، ومن بين هذه الطرق استخدام تقنيات الحرق النظيف الذي يتضمن هذا النوع من التقنيات استخدام طرق جديدة للحرق النظيف للوقود ، بحيث يتم استخدام الضغط العالي والحرارة العالية في عملية الاحتراق لتقليل الانبعاثات الضارة وكذلك استخدام الوقود الحيوي يعتبر استخدام الوقود الحيوي واحدًا من أفضل الطرق للحد من انبعاث الغازات الضارة في محطات توليد الكهرباء ، حيث يتم استخدام مصادر مثل الخشب والقش واللبوس والفضلات الزراعية في عملية التوليد.
او عبر استخدام تقنيات التنظيف التي تعتمد على الكيماويات يتم استخدام هذا النوع من التقنيات للحد من انبعاث الجسيمات الصلبة في الهواء حيث يتم استخدام الكيماويات المناسبة لتنظيف العوادم وتقليل الجسيمات المسببة للتلوث.
او عن طريق استخدام تقنيات مثل تنقية الغازات ، والفصل الإلكتروستاتي ، و تقنيات التبريد:
تستخدم هذه التقنيات للحد من انبعاثات الغازات الضارة في محطات توليد الكهرباء.
او باستخدام توليد الكهرباء عبر الطاقات النظيفة مثل الطاقة الشمسية أو الرياح، وهذا يعد الحل الأكثر فعالية للحد من انبعاث الغازات الضارة في محطات توليد الكهرباء.
يشمل الوقود المستخدم في توربينات الغاز الغاز الطبيعي والديزل والكيروسين. ويتم اختيار أنواع الوقود هذه بناءً على توفرها وكفاءتها وسهولة استخدامها. يعتمد اختيار الوقود أيضا على التطبيق المحدد لتوربين الغاز، بالإضافة إلى خصائص الأداء المطلوبة.
الغاز الطبيعي هو الوقود الأكثر استخدامًا في توربينات الغاز، خاصة في تطبيقات توليد الطاقة والتوليد المشترك للطاقة. وهو وقود نظيف الاحتراق وينتج تلوثا أقل من أنواع الوقود الأحفوري الأخرى.
وقود الديزل هو وقود شائع آخر يستخدم في توربينات الغاز، وخاصة في الوحدات الصغيرة. يحتوي وقود الديزل على محتوى طاقة أعلى من الغاز الطبيعي ويمكن استخدامه في الأماكن التي لا يتوفر فيها الغاز الطبيعي بسهولة.
كما يستخدم الكيروسين كوقود في بعض توربينات الغاز، وخاصة في محركات الطائرات. إنه وقود عالي الجودة يحتوي على نسبة عالية من الطاقة واستقرار حراري جيد.
ويستخدم التدفق المستمر لغاز الاحتراق الإنتاج الأعمال الميكانيكية التي تشمل المواد المستخدمة في تصنيع توربين الغاز، على سبيل المثال لا الحصر، ما يلي:
1 السبائك الفولاذية للمكونات الهيكلية للتوربين، مثل أغلفة الضاغط والتوربين والشفرات.
2 السبائك الفائقة القائمة على النيكل للمكونات ذات درجة الحرارة العالية، مثل شفرات التوربينات وبطانات غرفة الاحتراق.
3 المواد الخزفية المستخدمة في بطانات غرفة الاحتراق والمكونات الأخرى التي تتطلب درجة حرارة عالية ومقاومة للتآكل.
4 الطلاءات، مثل الطلاءات العازلة الحرارية، لحماية المكونات من التلف الناتج عن الحرارة.
5 المسبوكات والمطروقات لتصنيع المكونات المختلفة مثل الضاغط وعجلات التوربينات.
6 سبائك الفولاذ لتصنيع السحابات والأجهزة الأخرى.
7 البرونز والمواد غير الحديدية الأخرى المستخدمة في تصنيع المحامل ومكونات التأكل الأخرى.