Ανάπτυξη παρεμβατικών και μη, διαγνωστικών μεθόδων και αξιολόγηση σε συστήματα καύσης προανάμιξης. Εφαρμογή σε καυστήρα πορώδους αδρανούς μέσου

Abstract

Η παρούσα διατριβή στοχεύει στην ανάπτυξη διαγνωστικών εργαλείων για τη μέτρηση εκπομπών από φαινόμενα καύσης και την εφαρμογή τους σε συστήματα καύσης προανάμιξης βαθμωτής πολυπλοκότητας. Αρχικά, αναδεικνύεται η αναγκαιότητα και το πεδίο εφαρμογής των διαγνωστικών μεθόδων καύσης και οι χρησιμοποιούμενες τεχνικές αναλύονται και σχολιάζονται. Το πρώτο μέρος της διατριβής επεξηγεί τις αρχές λειτουργίας, τη θεμελιώδη θεωρία και τα βασικά συστατικά των χρησιμοποιηθέντων τεχνικών. Σε αυτές περιλαμβάνονται το σύστημα της αέριας χρωματογραφίας, το σύστημα συνεχούς ανάλυσης καυσαερίων, καθώς επίσης και το σύστημα για φασματοσκοπία φθορισμού επαγόμενου από διέγερση με χρήση ακτινοβολίας laser. Το πρώτο μέρος της διατριβής παρέχει το απαραίτητου υπόβαθρο για το σχεδιασμό, την εκτέλεση και την κατανόηση των αποτελεσμάτων κι υπό αυτό το πρίσμα, καθίσταται απαραίτητο συστατικό της. Στο δεύτερο σκέλος της διατριβής, τα διαγνωστικά εργαλεία χρησιμοποιούνται για τη μελέτη διατάξεων χαμηλής πολυπλοκότητας, στοχεύοντας αφενός στην αξιολόγηση των διαγνωστικών μεθόδων και αφετέρου στη διεξαγωγή πρωτότυπης έρευνας, συνδεόμενης με υπαρκτά ζητήματα στο πεδίο των συστημάτων καύσης. Υπό αυτό το πρίσμα, η τεχνική της αέριας χρωματογραφίας επιστρατεύτηκε για την ποσοτικοποίηση αέριων αλλά και επιλεγμένων πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων, που ευρίσκονται στα προϊόντα της πυρόλυσης μιγμάτων μεθανίου σε αντιδραστήρα εμβολικής ροής. Τα αποτελέσματα αναπαρήχθησαν με δυο μηχανισμούς λεπτομερούς χημείας, για την πληρέστερη κατανόηση των διεργασιών, με ικανοποιητική συμφωνία υπολογιστικών προλέξεων και πειραματικών δεδομένων. Εν συνεχεία, η τεχνική της φασματοσκοπίας φθορισμού επαγόμενου από διέγερση laser εφαρμόστηκε για τη μελέτη φλόγας προανάμιξης εγκάρσιας ροής. Η ψυχρή ροή μελετήθηκε ιχνηλατώντας μόρια ακετόνης στη ροή του καυσίμου και τα χαρακτηριστικά του σχήματος της φλόγας αναλύθηκαν μέσω της παρακολούθησης της ρίζας του υδροξυλίου στη ζώνη καύσης. Μέσω της εκμετάλλευσης συμβατικών πηγών ενέργειας, όπως το φυσικό αέριο και ο γαιάνθρακας, δύνανται μέσω της διεργασίας Fischer-Tropsch να προκύψουν εναλλακτικά καύσιμα, συμβατά με τις υπαρκτές υποδομές. Στο έκτο κεφάλαιο της διατριβής, αεροπορικά καύσιμα της ανωτέρω προέλευσης, εξετάζονται με τη χρήση ενός εργαστηριακού καυστήρα προανάμιξης. Μετρήσεις θερμοκρασίας και καυσαερίων, σε συνδυασμό με μια αναλυτική μεθοδολογία για τον υπολογισμό των θερμοχημικών ιδιοτήτων βάσει της αναλυτικής χημικής σύστασης, κατέστησαν εφικτή την αξιολόγηση των καυσίμων και τη συσχέτιση της απόδοσης, με τα περιεχόμενα συστατικά τους. Τελικώς, οι προαναφερθείσες παρεμβατικές και μη τεχνικές, συνδυάστηκαν για τον χαρακτηρισμό ενός καυστήρα υψηλής πολυπλοκότητας (καυστήρας πορώδους αδρανούς μέσου). Η οπτικοποίηση της φλόγας μέσα στο πορώδες, μέσω της τεχνικής φασματοσκοπίας φθορισμού επαγόμενου από διέγερση laser και συγκεκριμένα της παρακολούθησης της ρίζας του υδροξυλίου στη ζώνη καύσης, ανέδειξε της περιοχές λειτουργίας του συναρτήσει του θερμικού φορτίου και της στοιχειομετρίας. Εν κατακλείδι, διεξήχθη πλήρης πολυπαραμετρικός χαρακτηρισμός του πορώδους καυστήρα και αναλύθηκε η ικανότητα του για λειτουργία με συμβατικά και εναλλακτικά καύσιμα.

The present thesis aims at the development and validation of intrusive and nonintrusive combustion diagnostic techniques and their implementation in premixed combustion systems. The work may be divided in three main directions. Firstly, the necessity and applicability of combustion diagnostics is discussed and the developed methodologies are presented. This part, presented in the first, second and third chapter, describes the operating principles, the fundamental theory and the basic components of gas chromatographic and continuous analysis systems, as well as the fundamentals of laser spectroscopy and the theoretical considerations for laser induced fluorescence measurements. The latter diagnostic tools were utilized to investigate combustion phenomena of varying complexity. The scope of the first part is to provide a comprehensive support to the experimental investigations presented in the next chapters and it is an essential part of the thesis that assists the planning, execution and interpretation of experiments. In the second part of the thesis the developed diagnostic tools are firstly implemented in configurations with generally moderate degree of complexity. The research work implements the discussed diagnostic tools focusing on the evaluation of their performance, and at the same time innovative research is conducted pertaining to practical combustion problems. Gas chromatographic measurements were conducted in a plug flow reactor; gaseous products up to toluene were quantified for methane mixtures pyrolysis. The results were reproduced by two detailed chemical kinetic models, with satisfactory agreement. In addition, soot and selected polycyclic aromatic hydrocarbons were monitored in order to obtain a more complete picture of the underlying processes. The laser induced fluorescence system was utilized for the study of a simple premixed laminar cross-flow flame, whereby its shape characteristics were discussed using hydroxyl radical and acetone-tracer measurements. As the work mainly focuses on the investigation of flames produced by conventional fuels, a chapter is devoted in examining potential drop-in fuels, which may originate from natural gas or coal feedstock through the Fischer-Tropsch process. In this context, a simple premixed laboratory flame burner was utilized in order to investigate the performance of virtually similar aviation fuels of high complexity. Aviation fuels have to meet strict criteria with respect to physico-chemical properties and this induces additional challenge to the work. Temperature and emission measurements were combined with an analytical methodology that aimed at the systematic evaluation of the different fuels, facilitating the assignment of combustion trends to the constituent compounds. Finally, intrusive and nonintrusive tools were combined in order to fully characterize stable species as well as radical concentrations from a complex combustor, as is the porous burner. Initially, hydroxyl radical – laser induced fluorescence imaging experiments were performed in order to parametrically examine the burner operating regimes, through the visualization of the flame zone inside the porous media. Subsequently, the burner stability, emission characterization and fuel interchangeability with conventional as well as alternative fuels, was thoroughly tested with respect to nominal thermal loads and stoichiometries.