31898

مدل‌سازي و شبيه سازي مشعل يك زباله سوز پلاسمايي به‌منظور اصلاح عملكرد سيستم خنك كاري الكترودهاي آن

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1400

1403/6/25

سيد مصطفي حسينعلي پور

مريم بحريني

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

رشد سريع جمعيت و افزايش توليد زباله‌هاي شهري و صنعتي، چالش‌هاي زيست‌محيطي جدي‌اي را ايجاد كرده است. افزايش حجم زباله‌ها منجر به آلودگي خاك، آب و هوا و همچنين انتشار گازهاي گلخانه‌اي مي‌شود كه سلامت انسان‌ها و محيط‌زيست را تهديد مي‌كند. در اين ميان، زباله‌سوزهاي پلاسمايي به‌عنوان يكي از فناوري‌هاي پيشرفته در مديريت پسماند از اهميت ويژه‌اي برخوردارند. اين فناوري با استفاده از دماهاي بسيار بالاي پلاسما، قادر است زباله‌هاي خطرناك را به مواد بي‌ضرر تبديل كند. بااين‌حال، يكي از چالش‌هاي مهم در اين سيستم‌ها، خوردگي الكترودها به دليل دماي بالا است كه عمر مفيد دستگاه را كاهش مي‌دهد. استفاده از سامانه¬هاي خنك‌كاري مناسب، نقش كليدي در جلوگيري از خوردگي الكترودها و حفظ عملكرد بهينه و پايدار زباله‌سوزهاي پلاسمايي دارد؛ بنابراين، اطلاع دقيق از توزيع دما و ساير مؤلفه‌هاي فيزيكي در مشعل‌هاي پلاسمايي براي طراحي يك سيستم خنك‌كاري مناسب، از اهميت بالايي برخوردار است. در اين پژوهش، يك مشعل حرارتي پلاسمايي جريان مستقيم با استفاده از نرم‌افزار كامسول و حل عددي معادلات مگنتوهيدروديناميكي مدل‌سازي و شبيه‌سازي شده است. نتايج اين شبيه‌سازي با نتايج مقالات معتبر مقايسه و با حداكثر خطاي 10 درصد اعتبارسنجي شده است. همچنين، خنك‌كاري بخش آند مشعل پلاسمايي به روش جت برخوردي طراحي شده و كارايي آن با استفاده از نرم‌افزار كامسول شبيه‌سازي و بررسي شده است. اين پژوهش شامل چهار شبيه‌سازي كلي است: در شبيه‌سازي اول و دوم، ديواره خارجي آند از طريق انتقال حرارت جابجايي اجباري و با ضريب‌ انتقال حرارت جابجايي 10000 و 10 وات بر مترمربع كلوين خنك‌كاري شده است. در شبيه‌سازي سوم و چهارم نيز به ترتيب يك جريان آب موازي و يك جت برخوردي عمود بر ديواره خارجي آند و در همسايگي بيشينه دما در نظر گرفته شده‌اند. نتايج حاصل نشان مي‌دهد كه ميانگين ضريب انتقال حرارت جابجايي در خنك‌كاري با استفاده از جت برخوردي، در مقايسه با روش سوم و در دبي جرمي مشابه، 100 درصد افزايش يافته است.

1403/10/29

Modeling and Simulation of a Plasma Incinerator Torch for its Electrode Cooling System Improvement

9/16/2025 12:00:00 AM

Rapid population growth and the increase in municipal and industrial waste production have created serious environmental challenges. The rising volume of waste leads to soil, water, and air pollution, as well as the emission of greenhouse gases, which pose threats to human health and the environment. In this context, plasma waste incinerators have gained particular significance as an advanced technology in waste management. This technology, utilizing the extremely high temperatures of plasma, is capable of converting hazardous waste into harmless materials. However, one of the main challenges in these systems is electrode corrosion due to high temperatures, which reduces the lifespan of the equipment. The use of proper cooling systems plays a key role in preventing electrode corrosion and maintaining the optimal and stable performance of plasma incinerators. Therefore, precise knowledge of the temperature distribution and other physical components in plasma torches is crucial for designing an appropriate cooling system. In this research, a direct current thermal plasma torch is modeled and simulated using COMSOL software and the numerical solution of magnetohydrodynamic (MHD) equations. The results of this simulation are compared with those from reputable articles and validated with a maximum error of 10%. Additionally, a method for cooling the plasma torch anode is proposed, and its efficiency is simulated and analyzed using COMSOL software. This research includes four main simulations: In the first and second simulations, the outer wall of the anode is cooled through convective heat transfer with coefficients of 10^4 and 10 W/m²K, respectively. In the third and fourth simulations, a parallel water flow and an impinging jet perpendicular to the outer wall of the anode, near the maximum temperature region, are considered. The results indicate that the average convective heat transfer coefficient in cooling with an impinging jet increases by 100% compared to the third method, under similar mass flow rates.

زباله سوزهاي پلاسمايي , مديريت پسماند , خنك¬كاري , كامسول , مگنتوهيدروديناميك

Plasma Incinerator , waste management , cooling , COMSOL , magnetohydrodynamic

Mohammad Amin Modarresi

Dr. Mostafa Hossein Alipoor