Numerical Optimization of the Nozzle Air Inlet Structure in H 2 -CH 4 Micromix Combustor

जैसे-जैसे दुनिया जीवाश्म ईंधन से दूर जाने की कोशिश कर रही है, गैस टर्बाइनों से ऐसी चीज़ करने को कहा जा रहा है जिसके लिए उन्हें कभी डिज़ाइन नहीं किया गया था: प्राकृतिक गैस के साथ हाइड्रोजन को जलाना। हाइड्रोजन एक स्वच्छ ईंधन है जो जलने पर कार्बन डाइऑक्साइड उत्पन्न नहीं करता है, लेकिन यह अविश्वसनीय रूप से प्रतिक्रियाशील भी है। जब इसे हवा के साथ मिलाया जाता है, तो यह इतनी तेज़ी से और तीव्रता से जलता है कि यह लौ को ईंधन की आपूर्ति में वापस (फ्लैश बैक) ले जा सकता है या अत्यधिक, स्थानीयकृत 'हॉट स्पॉट्स' बना सकता है जो हानिकारक नाइट्रोजन ऑक्साइड उत्पन्न करते हैं। इसे हल करने के लिए, इंजीनियरों ने 'माइक्रोमिक्स कम्बशन' (micromix combustion) नामक एक अवधारणा विकसित की है। एक बड़ी लौ के बजाय, यह दृष्टिकोण सैकड़ों सूक्ष्म चैनलों का उपयोग करके सूक्ष्म ज्वालाओं का एक विशाल क्षेत्र बनाता है। ईंधन और हवा को छोटे, अलग-अलग जेट में तोड़कर, मिश्रण लगभग तुरंत हो जाता है, जिससे हॉट स्पॉट्स का निर्माण रुक जाता है और उत्सर्जन कम रहता है। हालाँकि, इस प्रणाली के काम करने के लिए, ईंधन और हवा को उनके प्रज्वलित होने से पहले ही अत्यधिक सटीकता के साथ मिश्रित होना चाहिए। यदि मिश्रण असमान है, तो छोटी ज्वालाओं के लाभ समाप्त हो जाते हैं।

चीन के नेशनल एनर्जी ग्रुप और अनुसंधान संस्थानों की शोधकर्ताओं की एक टीम ने उस नोजल के डिज़ाइन को पूर्ण करने के लिए हाथ बढ़ाया जो इस मिश्रण को वितरित करता है। उनका लक्ष्य हवा प्रवेश करने वाले छिद्रों को व्यवस्थित करने का सबसे अच्छा तरीका खोजना था ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि यह हाइड्रोजन और मीथेन ईंधन के साथ पूरी तरह से मिल जाए। उन्होंने प्रयोगशाला में परीक्षण करने के लिए कोई भौतिक प्रोटोटाइप नहीं बनाया; इसके बजाय, उन्होंने गैसों के प्रवाह को मॉडल करने के लिए शक्तिशाली कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। इन सिमुलेशन ने उन्हें यह देखने की अनुमति दी कि नोजल के भीतर हवा और ईंधन कैसे परस्पर क्रिया करते हैं, और विभिन्न परिस्थितियों में गैसें कैसे घूमती हैं, टकराती हैं और मिलती हैं। शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट प्रकार के नोजल पर ध्यान केंद्रित किया जहाँ हवा बगल की दीवारों से प्रवेश करती है और नीचे से आने वाले ईंधन से टकराती है, जिससे एक अशांत वातावरण बनता है जो दोनों गैसों को एक साथ धकेलता है।

टीम ने यह परीक्षण करने से शुरुआत की कि हवा के छिद्रों की संख्या ने मिश्रण प्रक्रिया को कैसे प्रभावित किया। उन्होंने चार छिद्रों की एक एकल परत वाले सरल डिज़ाइन की आठ और बारह छिद्रों वाले अधिक जटिल व्यवस्थाओं के साथ तुलना की। उन्होंने पाया कि छिद्रों की अधिक परतें जोड़ने से घूमती हुई वायु धाराओं की एक श्रृंखला बन गई। जब हवा बगल से बाहर निकलती है, तो यह ईंधन के ऊपर जाने वाले मार्ग को रोक देती है, जिससे ईंधन को चारों ओर घूमने के लिए मजबूर होना पड़ता है और नीचे के पास एक भंवर (vortex), या हवा की एक घूमती हुई जेब, बन जाती है। एकल परत के छिद्रों के साथ, यह घूमने वाली गति जल्दी ही समाप्त हो जाती है। लेकिन दो या तीन परतों के साथ, ऊपरी छिद्रों से आने वाली हवा निचले छिद्रों की घूमने वाली गति को पकड़ लेती है, जिससे मिश्रण के ऊपर बढ़ते समय दूसरा, तीसरा और भी अधिक भंवर बनता है। हवा की ये कई परतें ईंधन और हवा को आपस में खींचती और मोड़ती हैं, ठीक वैसे ही जैसे आटा गूंथते समय किया जाता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि नोजल के अंत तक पहुँचने से पहले वे पूरी तरह से मिश्रित हो जाएं। शोधकर्ताओं ने पाया कि जबकि बारह छिद्रों ने आठ की तुलना में थोड़ा सुधार दिया, लेकिन अतिरिक्त जटिलता और निर्माण संबंधी कठिनाई प्रदर्शन के मामूली लाभ के लायक नहीं थी। वे आठ छिद्रों वाले दोहरी-परत वाले डिज़ाइन को सबसे कुशल संतुलन के रूप में चुनकर रुके।

इसके बाद, शोधकर्ताओं ने उन छिद्रों के आकार को देखा। अपने प्रारंभिक डिज़ाइन में, सभी हवा के छिद्र एक ही आकार के थे, लेकिन उन्होंने देखा कि नोजल के अंदर हवा का दबाव समान नहीं था। नीचे के छिद्रों से प्रवेश करने वाली हवा को अधिक प्रतिरोध का सामना करना पड़ा और वह ऊपर के छिद्रों में प्रवेश करने वाली हवा की तुलना में कम बल के साथ आगे बढ़ी। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने एक "ग्रेडेड" (graded) डिज़ाइन का परीक्षण किया जहाँ नीचे के छिद्रों को बड़ा और ऊपर के छिद्रों को छोटा बनाया गया। इस सरल परिवर्तन ने हवा के संवेग (momentum) को पुनर्वितरित कर दिया। नीचे के छिद्रों को बड़ा बनाने से, अधिक हवा अधिक बल के साथ उनके माध्यम से धकेली गई, जिससे नीचे का घूमता हुआ भंवर मजबूत हुआ जहाँ ईंधन पहली बार प्रवेश करता है। इस मजबूत भंवर ने ईंधन को हवा में अधिक प्रभावी ढंग से खींचा, जिससे ईंधन के उन अनजले पॉकेट (pockets) की समस्या खत्म हो गई जो समान डिज़ाइन वाले नोजल में नीचे रह जाते थे। सिमुलेशन ने दिखाया कि इस ग्रेडेड दृष्टिकोण ने मिश्रण की गुणवत्ता में काफी सुधार किया, जिससे मिश्रण की एकरूपता लगभग पूर्ण स्तर तक पहुँच गई।

टीम ने फिर यह परीक्षण किया कि क्या यह अनुकूलित नोजल हाइड्रोजन की विभिन्न मात्राओं को संभाल सकता है। उन्होंने उन स्थितियों का अनुकरण किया जहाँ ईंधन शुद्ध प्राकृतिक गैस थी, 60% हाइड्रोजन का मिश्रण था, और यहाँ तक कि शुद्ध हाइड्रोजन भी था। परिणामों ने दिखाया कि नया डिज़ाइन 60% हाइड्रोजन तक के मिश्रणों के लिए असाधारण रूप से अच्छा काम करता है। इन परिदृश्यों में, मिश्रण समान और स्थिर बना रहा। हालाँकि, जब उन्होंने हाइड्रोजन की मात्रा को 100% तक पहुँचाया, तो प्रणाली संघर्ष करने लगी। शुद्ध हाइड्रोजन को ऊर्जा की समान मात्रा प्रदान करने के लिए बहुत अधिक प्रवाह दर (flow rate) की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है कि ईंधन नोजल से बहुत उच्च गति से बाहर निकलता है। यह उच्च-गति वाला ईंधन जेट हवा की धाराओं में फंसने के बजाय उन्हें सीधे चीरते हुए निकल जाता है। वह नाजुक भंवर प्रणाली जिसने मिश्रण को थाम रखा था, ढह गई, और मिश्रण की गुणवत्ता गिर गई। यह निष्कर्ष बताता है कि हालांकि यह नोजल गैस में हाइड्रोजन जोड़ने के संक्रमण काल के लिए अत्यधिक प्रभावी है, लेकिन शुद्ध हाइड्रोजन को संभालने के लिए इसमें और समायोजन की आवश्यकता हो सकती है।

अंत में, शोधकर्ताओं को एहसास हुआ कि नोजल को उतना लंबा होने की आवश्यकता नहीं है जितना उन्होंने अपने मॉडलों में मूल रूप से बनाया था। सिमुलेशन ने दिखाया कि मिश्रण बहुत तेज़ी से होता है; जब तक गैसें नोजल में 60 मिलीमीटर ऊपर जाती हैं, वे पहले से ही 97% मिश्रित हो चुकी होती हैं। शेष 40 मिलीमीटर की लंबाई मिश्रण की अंतिम गुणवत्ता में बहुत कम योगदान देती है। यह अंतर्दृष्टि बताती है कि इंजीनियर एक बहुत छोटा, अधिक कॉम्पैक्ट नोजल बना सकते हैं जो प्रदर्शन से समझौता किए बिना जगह बचाता है और निर्माण लागत को कम करता है। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि हवा के छिद्रों की संख्या और आकार को सावधानीपूर्वक व्यवस्थित करके, हाइड्रोजन और प्राकृतिक गैस को कुशलतापूर्वक और सुरक्षित रूप से मिश्रित करने वाला एक नोजल बनाना संभव है, जो गैस टर्बाइनों के लिए स्वच्छ ऊर्जा की दिशा में एक व्यावहारिक कदम प्रदान करता है।