[論文レビュー] New Weighted Sum of Gray Gases (WSGG) Models for Radiation Calculation in Carbon Capture Simulations: Evaluation and Different Implementation Techniques

Osama A. Marzouk, E. David Huckaby|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2024

Radiative Heat Transfer Studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、水蒸気–二酸化炭素混合物に対する最近開発された4つのWSGGMモデルを空燃比WSGGMと比較し、内挿方式を評価し、有限体積法のRT解を用いてスペクトル線ベースの参照値に対する精度を評価する。

ABSTRACT

We apply several weighted sum of gray gases models (WSGGMs) to calculate the radiative absorption coefficient for gas mixtures containing H2O and CO2. Our main objectives are to analyze and compare four WSGGMs which have been recently developed for oxy-fuel combustion. The models are compared with the widely-used air-fuel WSGGM of Smith et al. In addition to direct comparison of the absorption coefficients, we compare finite-volume solutions of the radiative equation of transfer in a 2m x 2m x 4m box with a specified inhomogeneous temperature field and a homogeneous mixture of the H2O, CO2 and N2. Calculations using a spectral line-based WSGGM (SLW) are used as a reference solution to estimate the accuracy. For each WSGGM, we apply two interpolation methods for determining the model coefficients at arbitrary H2O-to-CO2 ratios. For wet-recycle oxy-fuel combustion, we found that the deviation of the air-fuel WSGGM was not significantly larger than several of the newer models. However, with dry recycle (90 vol%-CO2) the air-fuel WSGGM model underpredicts the radiative flux and radiative heat source in contrast to the other models which overpredict these fields. Piecewise linear interpolation consistently improves the predictions of the air-fuel WSGGM, but only has a modest effect on the predictions of the oxy-fuel WSGGM's.

研究の動機と目的

• 炭素捕集ガス混合物（H2O/CO2/N2）を背景とした酸素-燃焼に用いられる4つのWSGGMsを分析・比較する。
• これらのモデルの精度をスペクトル線ベースのWSGGM（SLW）参照と比較して評価する。
• 任意のH2O-to-CO2比に対する係数の2つの内挿法がモデル予測に与える影響を評価する。

提案手法

• 4つのWSGGMsと基準として空燃比WSGGMを用いて、H2O–CO2–N2混合物の放射吸収係数を計算する。
• 温度場が非均一な2 m × 2 m × 4 mの有限体積ボックスを用いて、放射フラックスおよび放射源項を比較する。
• WSGGMsの精度を推定するためにSLWを参照として用いる。
• 任意のH2O-to-CO2比に対するモデル係数の2つの内挿法を適用する（区分線形内挿を含む）。
• better to keep as is
• 解析湿式リサイクルおよび乾式リサイクル酸素燃焼ケース（例: 90 vol% CO2）について結果を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4つの新しいWSGGMsは、空燃比WSGGMおよびSLW参照と比較して、H2O–CO2–N2混合物の放射吸収をどう予測するか？
• RQ2 任意のH2O/CO2比の変化に対して、係数内挿がモデルの精度に与える影響はどの程度か？
• RQ3 湿式リサイクルおよび乾式リサイクル酸素燃焼シナリオは、モデルの精度とフラックス予測にどう影響するか？
• RQ4 新しいWSGGMsは、炭素捕集の文脈で伝統的な空燃比WSGGMに見られる過少予測または過剰予測を緩和するか？

主な発見

• 湿式リサイクル酸素燃料条件では、空燃比WSGGMの偏差は、いくつかの新しいモデルより大幅には大きくない。
• 乾式リサイクル（CO2 90 vol%）では、空燃比WSGGMは他のモデルと比較して放射フラックスおよび放射熱源を過小予測する一方、他のモデルは過予測する。
• 区分線形内挿は空燃比WSGGMの予測を常に改善する。
• 内挿は酸素燃料WSGGMsの予測に対しては控えめな効果しか持たない。
• SLWはWSGGMsの精度を推定する参照解として機能する。
• 乾式リサイクル条件下では他のWSGGMsは放射場を過大予測しがちであり、空燃比WSGGMは過小予測する。