Journal of Energy and Environment Technologyhttp://jeet.siamtechu.net Review Article

JEET 2014; 1(2): 41-50.

Increasing the Combustion Efficiency by Using Porous Media

ฐกฤต ปานขลิบ *Thakrit Panklib *

บณัฑติวทิยาลยั วทิยาลยัเทคโนโลยสียามEnergy and Environmental Management Program, Graduate School, Siam Technology College*Corresponding author, E-mail: drthakrit@gmail.com

บทคดัย่อ

ต่างประเทศในรปูผลติภณัฑจ์ากปิโตรเลยีม แมว้่าประเทศไทยจะมแีหล่งทรพัยากรดา้นพลงังานของตนเอง อาทเิช่น

ทุกๆปี และมแีนวโน้มว่าจะเกดิการขาดแคลนในอนาคตเทคโนโลยใีหม่ๆนกัวจิยัจํานวนมากไดท้าํการศกึษาคน้ควา้ การเผาไหม้ดังกล่าวมีประสิทธิภาพสูง น ไนโตรเจนออกไซด์ และ

ความเรว็ในการเผาไหมส้งูกว่าการเผาไหมโ้ดยปกติ จงึทาํให้ ไดเ้ป็นอยา่งดี

เสนอถงึคณุสมบตัใินเชงิกายภาพของวสัดพุรนุ กระบวนการหรอืกลไกการเผาไหม้ การศึกษาคน้ควา้แล คุณลกัษณะพเิศษ ต่างๆ ของวสัดุพรนุ เช่น การหมุนเวยีนความพลงังานความรอ้นขณะเกดิการเผาไหม ้ประสทิธภิาพในการเผาไหม ้รวมถงึการสรุปผลการศกึษาและขอ้เสนอแนะ การวจิยัและพฒันาในเทคโนโลยดีงักล่าวต่อไปในอนาคต

คาํสาํคญั: การเผาไหม ้วสัดพุรนุ การเผาไหมแ้บบหลายสถานะ

AbstractThe total energy consumption in Thailand has been continually increasing. Most of the fuel used in

Thailand is imported such as petroleum products. Although Thailand can provide some of its own energyresources such as natural gas crude oil and coal, the domestic energy resources are not sufficientbecause of the increasing demand and the limitation of these energy resources. So, utilization ofremaining energy efficiency and researching new technologies for energy conservation becomesabsolutely necessary. In the last few decades, many researchers have been studied in the field of

ฐกฤต ปานขลบิhttp://jeet.siamtechu.net

JEET 2014; 1(2)42

multiphase combustion within porous media, due to its clean and highly efficient. The burning velocitiesare higher than normal combustion, extended lean flammability limits, and high radiant output with lowemissions of pollutants such as NOx and CO. This paper reviews the physical properties and combustionprocesses within porous media, and describes related experimental and study. Including the unique ofporous media such as heat re-circulating combustion, internal heat recirculation in porous burner, theburner performance and conclusions.

Keywords: Combustion, Porous medium, Multiphase combustion

1. บทนํา

ต่างประเทศเป็นปรมิาณมาก ส่วนใหญ่อยูใ่นรปูผลติภณัฑ์จากปิโตรเลยีม แมว้่าประเทศไทยจะมแีหล่งพลงังานของตนเอง อาทเิช่น แก๊ส

คอื ภาคพลั

วดลอ้ม เช่น CO และN O

ประสทิธภิาพสงูสุด Jugjai, S., et al, ( [3] ไดป้ระสบค ประสทิธกิารถ่ายเทMultiphase combustion)

เผาไหมด้งักล่าว กระทาํโดยเผาไหมใ้นวสัดพุรุน (Porous medium) าวสัดุพรุนการ

ถ่ายเทความรอ้นไดเ้ป็นอยา่งดีกลไกการเผาไหม้ การ

ประสทิธภิาพในการเผาไหมโ้ดยวสัดพุรนุ ลยดีงักล่าวต่อไปในอนาคต

2. วสัดพุรนุวสัดุพรนุ (Porous medium)

วสัดพุรนุหรอืมคีวามพรนุ (Porosity) หรอืผวิต่อปรมิาตร (Area to volume ratio) สูง 1สามารถนํามาใช้ประโยชน์ได้ในหลากหลายรูปแบบ แต่ประสทิธภิาพในการเผาไหม้ วสัดุพรุนดงักล่าวผลติจาก แขง็แรงและทนต่อความรอ้น และจากการ Convectionheat transfer) ก การนํา

ฐกฤต ปานขลบิhttp://jeet.siamtechu.net

JEET 2014; 1(2) 43

ความรอ้น (Conduction heat transfer) และการแผ่รงัสคีวามรอ้น (Radiation heat transfer) ในเวลาเดยีวกนั จงึอาจกล่าวไดว้า่ภายในตวัของวสัดพุรนุเองมคีณุลกัษณะคลา้ยกบั (Heat exchanger)มปีระสทิธภิาพ โดยรอ้นไดส้งู (High temperature resistant) ของหอ้งเผาไหม้ไดเ้ป็นอยา่งดี [4-5]

1 ลกัษณะโครงสรา้งภายในของวสัดุพรนุ

2.1 ของวสัดพุรนุ

ผลติเป็นวสัดุพรนุ ใชใ้นการเผาไหมใ้นปจัจุบนั มอียู่แต่ในปจัจุบนัเซรามกินับ กนัภายในวสัดดุงักล่าว 3 ชนิด คอื อะลูมนิา(Al2O3) เซอรโ์คเนยีม (ZrO2) และ ซลิคิอนคารไ์บด์ (SiC) [6-7]

อะลมูนิา (Alumina (Packedbed) มคีวามท

(Thermal conductivity) มอียู่(Thermal shock) ไดไ้ม่ดนีัก แต่อย่างไรก็ตามอะลูมนิาก็ยงัคงไดร้บัความนิยม

อนในระยะแรกของหอ้งเผาไหมว้สัดพุรนุเซอรโ์คเนียม (Zirconia) ทนต่อความรอ้นไดด้มีาก โดย ส่วนของหอ้ง

การนําความรอ้น (Thermal conductivity)เช่นกนั สว่นใหญ่

ในซลิคิอนคารไ์บด ์(Silicon-Carbide) ทนต่อความรอ้นได้ เป็นส่วน

(Thermal conductivity)แบบเฉียบพลัน (Thermal shock) ได้เป็นอย่างดี แต่ก็มีข้อจํากัดในด้านของ

นแรง

ฐกฤต ปานขลบิhttp://jeet.siamtechu.net

JEET 2014; 1(2)44

2.2 รปูแบบโครงสร้างของ

แบบแรกเป็นโครงสรา้งวสัดุพรนุแบบแยกจากกนั (Discrete Elements) นิยมใชใ้นงานวจิยัเผาไหมใ้นวสัดพุรนุ อาจมลีกัษณะเป็นทรงกลม (Ceramic balls) รปูทรงกอ้นกรวด (Ceramic pebbles) รปูทรงอานมา้ (Ceramic saddles) ดงัแสดงใน 2 แมว้่าในปจัจุบนัการออกแบบหอ้ง

นิยม คน้ควา้และการวจิยั โครงสรา้งวสัดพุรนุแบบ เดยีวหรอืแบบโครงขา่ย (Cellular Structures

70% ดงัแสดงใน 3

2 ลกัษณะโครงสรา้งวสัดพุรนุแบบแยกจากกนั รปูทรงอานมา้ (Ceramic saddles) ขณะใชง้าน

3 ลกัษณะโครงสรา้งวสัดพุรนุแบบ ผลติจากซลิคิอนคารไ์บด์

ช่วยทําใหใ้หแ้ก๊สหอ้งเผาไหม้

การนําไปประยุกต์ โดยแบบแล โครงสรา้งวสัดพุรนุแบบ

ฐกฤต ปานขลบิhttp://jeet.siamtechu.net

JEET 2014; 1(2) 45

ผสม (Mixer Structures) โครงสรา้งดงักล่าวพบเหน็กนับ่อยๆ ในงานวจิยั เป็นการผสมผสานกนัระหว่างชนับางๆแบบสามมติ ิดงัแสดงใน 4

4 ลกัษณะโครงสรา้งวสัดพุรนุแบบผสม ผลติจากอะลมูนิาและซลิคิอนคารไ์บด์

ประกอบไปดว้ย เจาะใหเ้ป็นรู(Porosity)

รงัสี (Radiation) เป็นอย่างดี แต่กม็ขีอ้จาํกดับางประการกค็อืคณุสมบตัใินการถ่ายเทความรอ้น[8]

3. คณุลกัษณะพิเศษของวสัดพุรนุของ

วต่อปรมิาตรมากๆปลายทาง (Down-stream) จะมกีารดูดซบัหรอืถ่ายเทความรอ้นโดยการพาความรอ้น (Convection) ไปยงัวสัดพุรนุ

Enthalpy of hot gas) จะ

5 แสดงการดดูซบัพลงังานของแก๊สรอ้นแลว้ถ่ายเทโดยการนําและการแผร่งัสคีวามรอ้นยอ้นกลบัไปยงัตน้ทางในวสัดุพรนุ

ฐกฤต ปานขลบิhttp://jeet.siamtechu.net

JEET 2014; 1(2)46

โดยเอนทาลปีข(Radiation heat transfer) และการนําความรอ้น (Conduction heat transfer) ย้อนกลบัไปยงัต้นทาง (Upstream)

ไหลเขา้สู่ระบบจากตน้ทาง (Upstream) วสัดุพรนุกจ็ะทําหน้า Preheat) ให้ ไหลHeat

exchanger) ในตวั เลก็กะทดัรดัอกีประเภท โดยกระบวนการดงักล่าวไดแ้สดงไวด้งั5

Weinberg. (1971) Internalheat recirculation combustion) [9] การนําเอาความรอ้นจากบรเิวณเปลวไฟมาอุ่นไอ

กระบวนการเผาไหม้ โดยจะมกีารดดูซบัเอาความรอ้นบางสว่นจากไอเสียคืนกลับเข้าสู่ระบบการเผาไหม้ด้วยวสัดุพรุน โดยเรยีกระบบการเผาไหม้ดงักล่าวว่า “Excess enthalpycombustion” ภาพ 6รอ้นกลบัมาใช ้(Heat recirculation (1)คอือุณหภูมหิอ้ง ส่วน (2) Adiabatictemperature) (3)

Preheat

อุณหภูมทิางทฤษฎี (Super adiabatic temperature)ขนาดเท่ากนั น ยงัสามารถเผา

(Lean) หรอืมคีา่ความรอ้น (Heating value)เผาไหมแ้บบปกตไิม่สามารถกระทาํได้ [10]

อุหภ

มูิ

X

ความร้อนจากการเผาไหม้แบบหมนุเวียนพลงังานกลบัมาใช้

การเผาไหม้ นํากลบัมาใช้

ไมมี่การหมนุเวียนพลงังานกลบัมาใช้

1

2

3

6 แสดงการเผ นําเอาพลงังานความรอ้นกลบัมาใช้

โดยจะแยก หลกัได้

ฐกฤต ปานขลบิhttp://jeet.siamtechu.net

JEET 2014; 1(2) 47

สมการแสดงความสมัพนัธ์ขององคป์ระกอบในเชงิกายภาพ (Species equation)

Wx

yD

x

yu

t

y

2

2

(1)

)/exp()1( RTEYAW (2)

สมการแสดงความสมัพนัธ์ขององคป์ระกอบในสถานะแก๊ส (Gas phase equation)

)T(TAnhwhx

Tλ

x

Tρuc

t

Tρc spppopp

2

2

(3)

สมการแสดงความสมัพนัธ์ขององคป์ระกอบในสถานะของแขง็ (Solid phase equation)

)(2

2

TTAnhx

q

x

T

t

Tc sppp

rss

spss

(4)

4. การประยกุตใ์ช้วสัดพุรนุ

(Burning velocity) ค่าความเขม้ของการเผาไหม้ (Highcombustion intensity) และคา่ความเขม้ในการ

าแบ่งรปูแบบการเกดิการเผาไหมอ้อกเป็น 4 ลกัษณะคอื (1) การ

เผาไหม้ Surface flame) (2) การเผาไหม้บรเิวณผวิของวสัดพุรนุ (3 (Matrix stabilized or embedded flame)(4) การเผาไหม้แบบขาดเสถียรภาพ (Unstable Combustion) หรือ การเกิดเปลวไฟย้อนกลับ (Flash back)

Flame speed โดยความแตกต่าง(a) และการเกดิเปลวไ (b) รวมถงึกราฟแสดง

แสดงไวใ้นภาพ 7 [11]โดยจากภาพจะเห็นได้ว่

พลงังานความรอ้นไดด้กีว่าใน ในบรเิวณดา้นหลงัของกวสัดุพรุน

จะถกูของวสัดพุรนุ หภมูขิองการเผาไหมใ้นกรณกีารเกดิเปลวไฟในวสัดพุรนุสงูกว่า

ฐกฤต ปานขลบิhttp://jeet.siamtechu.net

JEET 2014; 1(2)48

7 (a) (b)

ได้อย่างมีเสถียรภาพ ภายในวสัดุพรุนเองก็ต้องมีจะต้องมีความ Heat recirculation

ปลดปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาการเผาไหม้ (Heat release Heat losses) โดย

คญัการลามของเปลวไฟ (Propagation flame)

Babkin et al. (1991) [12] ได้ทําการศึกษาการเผาไหม้และการลามของเปลวไฟ (Propagation flame)

Peclect number (Pe)

คอื Laminar flame speedคอื ขนาดเสน้ผา่นศูนยก์ลางช่องว่างเสมอืน (Equivalent pore diameter)คอื ความจุความรอ้นจาํเพาะของแก๊ส (Specific heat of gas)

คอื ความหนาแน่นของแก๊ส (Density of gas)(Thermal conductivity of gas)

โดยจากงานวจิยัระบุไวว้่า หาก Pe น้อยกว่าหรอืเท่ากบั 65 เปลวไฟจะดบั (Flame quenching) และหากPe มากกว่า 65 เปลวไฟจะติดและลามได้ (Flame propagate) จากหลักการดงักล่าวนําไปสู่การออกแบบและ

วสัดุพรุนแบบสองตอน (Bi-layered porous burner University of Erlangen-Nuremburgโดย Durst et al. (2002) [13] Upstream จะมี

Pe น้อยกวา่ 65 Flash back) เขา้

ฐกฤต ปานขลบิhttp://jeet.siamtechu.net

JEET 2014; 1(2) 49

ทางดา้น Downstream Pe มากกว่า 65 8

8 กลไกการถ่ายเทความรอ้นภายในวสัดพุรนุแบบสองตอน

5. สรปุและขอ้เสนอแนะ

นการเผาไหม ้(Burning velocity) ค่าความเขม้ของการเผาไหม้ (High combustion intensity)

ทาํได้ การเผาไหมด้งักล่าวปลดปล่อยมลพษิหรอืมลภาวะสูส่ภาพแวดล้อมจงึนบัวา่เป็นการช่วยลดตน้ตอหรอืสาเหตุสาํคญัของการเกดิปญัหาสภาวะเรอืนกระจกในปจัจุบนั

ประยกุต์ใชอ้ยา่งเป็นรปูธรรม กม็คีวามเป็นไปไดส้งูในการนําเทคโนโลยดีงักล่าวมาใชใ้หเ้กดิประโยชน์ในแต่ละภาค

ภาคอุตสาหกรรม ไม่วา่จะเป็นอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ขนาดกลาง ขนาดเลก็ รวมถงึอตุสาหกรรมในครวัเรอืน เช่น

ชนรุน่ต่อไปในอนาคต

ฐกฤต ปานขลบิhttp://jeet.siamtechu.net

JEET 2014; 1(2)50

6. เอกสารอ้างอิง[1] T. Panklib, C. Prakasvudhisarn, & D. Khummongkol. (2011). Electricity Consumption Forecasting

in Thailand, Using Artificial Neural Network and Multiple Linear Regression, Energy Sources PartB, 559520. doi:10.1080/15567249.2011.

[2] Department of Alternative Energy Development and Efficiency. (2007). Thailand’s EnergyConservation and Renewable Energy Development Program 2008-2011, Bangkok: Ministry ofEnergy.

[3] Jugjai, S., et al, ‘Heat transfer Enhancement to Coolling Water Pipe by a Surface CombustorHeater Equipped with a Convection-Radiation Conveter’, RERIC International Energy Journal,Vol. 20, No. 2, pp 91-105, December, 1998.

[4] Weclas, M., Porous media in internal combustion engines, [in:] Cellular Ceramics Structure,Manufacturing, Properties and Applications, Scheffler, M., Colombo, P. (eds), Wiley-VCH-Publ.2005.

[5] Weclas, M., New strategies for homogeneous combustion in I.C. engines based on the porousmedium (PM)-technology, ILASS Europe, June 2001.

[6] Afsharvahid, S., Dally, B.B. & Christo F.C. (2003). On the Stabilization of ultra-lean methane andpropane flames in porous media. The 4th Asia-Pacific Conference on Combustion, Nanjing,Chaina, August 18-21.

[7] Trimis, D. & Durst, F. (1996). Combustion in a porous medium: Advance and applications.Combustion Science and Technology, 121, 153-168.

[8] C. Tierney and A.T. Harris. (2009). Journal of the Australian Ceramic Society Volume 45 [2],2009, 20-29.

[9] Weinberg, F.J. (1971). Combustion temperature: the future?. Nature, 233, 239-241.[10] Wongwatcharaphon, K. (2011). Numerical Simulation of High Efficiency Porous Burner for Liquid

Fuel Combustion without Spray Atomization. D.Eng. Mechanical Engineering Faculty ofEngineering, King Mongkut’s University of Technology Thonburi.

[11] Vafai, K. (2005). Handbook of porous media (2nded.). Taylor and Franscis, USA.[12] Babkin, V.S., Korzhavin, A.A. & Buner, V.A. (1991). Propagation of premixed explosion flames in

porous media. Combustion and Flame, 87, 182-190.[13] Durst, F. & Trimis, D. (2002). Combustion by free flames versus combustion reactors. Clean Air,

3, 1–20.