Πειραματική διερεύνηση του τυρβώδους πεδίου ανάμειξης και καύσης σε πρωτεύουσα ζώνης σταθεροποίησης φλόγας με διαστρωμάτωση μείγματος και υπό την επίδραση ενός συρρέοντος δακτυλιοειδούς στροβιλιζόμενου ρεύματος

Abstract

In last decades it has become imperative the need of the reduction of the global exhaust emissions, which are responsible for the creation of the greenhouse effect. In the conference on Climate Change, in Paris at 2015 it was agreed to limit the Earth's warming in less than 2oC. According to the International Energy Agency (IEA), if the global community continues its current policy, without additional changes in relation to energy efficiency, is expected to have an increase in its energy needs of 1.3% per year by 2040. The increasing trend of the exhaust emissions is a result of the accumulation of exhaust gases emitted by new combustion systems and by existing systems. In new combustion systems, in order to address the problem of the exhaust gas emissions, are being used innovative low emission combustion technologies or other forms of energy, such as electricity or renewable energy sources, or hybrid systems, in which the renewable energy sources are combined with innovative combustion technologies. The, already, existing systems, which are been relied on the combustion of solid carbon fuels, such as anthracite, lignite, etc., and are being characterized by their prolonged existence, are responsible for 30% of all energy related emissions. In these systems the reduction in the exhaust emissions is being achieved by replacing the heavier and more polluting solid fuels with the natural gas. Of course, the increasing use of natural gas as fuel raises a key question, whether natural gas networks can provide low or zero carbon energy sources, such as biofuels. In this context, the main objectives of the redesign and optimization of combustion systems for energy production are to increase the produced energy per kilogram of fuel, to increase the operational efficiency and to significantly reduce the pollutant emissions (Near Zero Emissions (NZE)). These are essential for the combustion systems, to comply with the increasingly stringent relevant legislationIn a line with these criteria, it has been developed a burner which aims to improve combustion efficiency and stabilization and to reduce exhaust emissions. In particular, in this thesis investigated the interaction of an axial sequence of two recirculation zones in a bluff body stabilized stratified flame. The premixer/burner assembly consisted of two cavities formed between three disks, connected along their axis with a vertical fuel supply, hollow tube. The secondary cavity promoted partial premixing with the central air and supplied the after body primary stabilization region with a radial equivalence ratio gradient. The incoming mixture is regulated via the central air, the injected fuel, and the secondary cavity. The bluff body flame zone was surrounded with a coannular, secondary swirl stream and an external, surrounding air flow. The assembly is capable of establishing an axial sequence of two recirculation zones, the primary recirculation zone (CTRZ) and the adjacent swirl-induced vortex breakdown region that promotes further mixing of the combustion products with the swirl stream. In this configuration the swirl stream is imposed on the combustion gasses instead of the traditional bluff body, quarl expansions or in-tandem swirl arrangements in which the swirl is imposed of the flame anchoring region. This complex configuration has not yet been fully investigated. Here the impact of the interactions of the central fuel supply, the variable inlet swirl, and the external air coflow settings, with the variable two-recirculation wake zone, on fuel-air mixing fields and emissions levels are investigated under inert and reacting conditions. The study of this complex set up is divided into three sections: the isothermal field, the mixing field and the reacting field. Each field was studied gradually starting from the simplest case, this without the imposition of the coannular swirling stream and without the use of the external air coflow and end up to the most complex, which combined all the parameters. First the isothermal and inert, fuel-injected, wake topologies will be presented to depict the variety of fuel-air mixing configurations that can be sustained by the multi-annular system. The isothermal flow field was measured using a 2D-PIV system. The impact of the imposition of the swirl stream and the external, surrounding air stream on the main flow, was evaluated through the measured velocity and turbulent flow fields and these are presented in terms of contour plots. The fuel concentrations through the wake were measured using the FTIR system. The measured fuel distributions were obtained for different annular flow settings and fuel injections, maintaining the primary zone inlet stratification. The fuel was injected either in the primary cavity through the second disk or in the secondary swirl air stream or in both streams simultaneously. The counterpart lean and ultralean reacting wakes were then studied to appraise the capacity of the system to regulate effectively the primary combustion process. The 2D-PIV system was also, used to measure the velocity and turbulent fields. These measurements were used to evaluate the alterations in the reacting flow field against of the isothermal flow field. The PIV measurements in tandem with measurements of chemiluminescence imaging of OH* and CH* and temperatures assisted in evaluation of the flame structure. Finally exhaust gas measurements of major species were obtained, with an exhaust gas analyzer, to assess the emission and combustion performance of this burner. Long term the target is to employ this burner in various practical combustion systems such as gas turbines, internal combustion engines, etc. This burner is being attractive for its application in practical combustion systems, due to its innovation. The innovation is based on the introducing the swirl stream into the exhaust gas region and on the interaction of the two adjacent recirculation, zones. The combustion products are being mixed with excess air or with a fuel/air mixture causing further emission reduction. The burner through its operating set up is capable to provide full control of both the mixture mixing and the dilution of the exhaust emissions with the excess air. Moreover, its operation flexibility makes it attractive in practical systems, as it is able to cover the energy needs with a low fuel consumption. In addition, the combination of stratification with the swirling technology, it significantly improves the flame stability, while at the same time the flashback and lift off phenomena, which are undesirable in combustion systems, have been prevented. Finally, the combustion efficiency of the system is maintained at satisfactory levels due to the mixture stratification and the reduced emissions.

Τις τελευταίες δεκαετίες έχει καταστεί επιτακτική η ανάγκη για την μείωση των παγκόσμιων εκπομπών καυσαερίων που ευθύνονται για την δημιουργία του φαινόμενου του θερμοκηπίου. Μεταξύ των μελών των Ηνωμένων Εθνών που έλαβαν μέρος στην διάσκεψη των Εθνών στο Παρίσι το 2015 για την κλιματική αλλαγή, συμφωνήθηκε ο περιορισμός της αύξησης της θερμοκρασίας της Γης, σε λιγότερο από 2oC. Εμπόδιο προς αυτή την κατεύθυνση αποτελεί κυρίως η διαρκώς αυξανόμενη παγκόσμια ενεργειακή ζήτηση. Σύμφωνα με στοιχεία της International Energy Agency (IEA), αν η παγκόσμια κοινότητα συνεχίσει την τρέχουσα πολιτική της, χωρίς διορθωτικές αλλαγές σε σχέση με την ενεργειακή απόδοση, αναμένεται αύξηση στις ενεργειακές της ανάγκες κατά 1.3% ετησίως μέχρι το 2040. Η αυξητική τάση των παραγόμενων εκπομπών είναι αποτέλεσμα της συσσώρευσης των καυσαερίων που εκπέμπονται από τα νέα συστήματα καύσης και από τα ήδη υπάρχοντα συστήματα. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος των εκπεμπόμενων καυσαερίων στα νέα συστήματα καύσης χρησιμοποιούνται καινοτόμες τεχνολογίες καύσης χαμηλών ρύπων ή άλλες μορφές ενέργειας, όπως είναι η ηλεκτρική ή οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ή υβριδικά συστήματα, που συνδυάζουν τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας με τις καινοτόμες τεχνολογίες της καύσης. Τα υφιστάμενα συστήματα, που στηρίζονται στην καύση του στερεού άνθρακα, όπως για παράδειγμα ο ανθρακίτης, ο λιγνίτης κ.α. χαρακτηρίζονται από την μακράς διάρκειας ζωής τους και ευθύνονται για το 30% όλων των εκπομπών που σχετίζονται με την ενέργεια. Σε αυτά τα συστήματα ο περιορισμός των εκπομπών επιτυγχάνεται με την αντικατάσταση των βαρύτερων και πιο ρυπογόνων στερεών καυσίμων με το φυσικό αέριο. Βέβαια η ολοένα και εντονότερη χρήση του φυσικού αερίου ως καύσιμο γεννά ένα βασικό ερώτημα, το κατά πόσον τα δίκτυα φυσικού αερίου μπορούν όντως να παρέχουν πηγές ενέργειας χαμηλών ή μηδενικών εκπομπών άνθρακα, όπως τα βιοκαύσιμα. Μέσα σε αυτό το πλαίσιο, ο επανασχεδιασμός και η βελτιστοποίηση των συστημάτων καύσης για παραγωγή ενέργειας, με κύριους στόχους: την αύξηση της παραγόμενης ενέργειας ανά κιλό καυσίμου μέσω της βελτίωσης της σταθεροποίησης της καύσης, την αύξηση της λειτουργικής απόδοσης των συστημάτων και τη σημαντική μείωση των εκπομπών ρύπων (Near Zero Emissions, NZE), αποτελούν επιτακτική ανάγκη προκειμένου οι επιπτώσεις της λειτουργίας τους να συμμορφωθούν με την όλο και αυστηρότερη σχετική νομοθεσία. Με γνώμονα τα κριτήρια αυτά, αναπτύχθηκε ένας καυστήρας οποίος στοχεύει τόσο στην βελτίωση της απόδοσης και της σταθεροποίησης της καύσης όσο και στην μείωση των εκπεμπόμενων αέριων ρύπων. Ειδικότερα, σε αυτή την εργασία ερευνάται η αλληλεπίδραση μιας αξονοσυμμετρικής, σταθεροποιημένης, επί στερεού σώματος, πρωτεύουσας ζώνης καύσης, η οποία λειτουργεί υπό συνθήκες διαστρωματωμένου μείγματος, με ένα δευτερεύον έκκεντρο, ομοαξονικό, στροβιλιζόμενο δακτυλιοειδές ρεύμα αέρα ή αέριου μείγματος αέρα και καυσαερίων. Ο καυστήρας/αναμείκτης αποτελείται από δύο κοιλότητες οι οποίες διαμορφώνονται από τρεις ομόκεντρους αξονοσυμμετρικούς δίσκους. Τα κέντρα των δίσκων είναι συνδεδεμένα κατά μήκος του άξονά τους με έναν, κοίλο σωλήνα, από τον οποίο γίνεται και η έγχυση του καυσίμου στη πρώτη κοιλότητα διαμέσου δακτυλιοειδούς εγκοπής στο δεύτερο δίσκο. Η δεύτερη κοιλότητα ενισχύει ακόμα περισσότερο την ανάμειξη του μείγματος καυσίμου/αέρα και τροφοδοτεί την περιοχής της σταθεροποίησης της φλόγας, η οποία βρίσκεται κατάντη του σταθεροποιητικού δίσκου, με μία ακτινική βαθμίδα του σχετικού λόγου καυσίμου/αέρα, Φ. Το Φ του εισερχόμενου μείγματος ρυθμίζεται μέσω του κεντρικού αέρα, του εγχυόμενου καυσίμου και της δευτερεύουσας κοιλότητας. Η περιοχή της σταθεροποίησης της φλόγας περιβάλλεται από μία ομοαξονική στροβιλοειδή ροή και από ένα ρυθμιστικό συρρέον εξωτερικό δακτυλιοειδές ρεύμα αέρα. Αυτή η διαμόρφωση οδηγεί στη δημιουργία δύο επάλληλων ζωνών ανακυκλοφορίας, οι οποίες αλληλοεπιδρούν αεροδυναμικά μεταξύ τους. Μία αρχική ζώνη ανακυκλοφορίας ανάντη του φλογοσταθεροποιητή και μία δεύτερη Κεντρική Δακτυλιοειδής Ζώνη Ανακυκλοφορίας [ΚΔΖΑ, (central toroidal recirculation zone, CTRZ)] κατάντη της πρώτης. Αυτή προκαλείται από την εισαγωγή του στροβιλισμού και είναι υπεύθυνη για την περεταίρω ανάμιξη των κύριων προϊόντων της καύσης. Σε αυτή τη διάταξη ο στροβιλισμός εισάγεται στην περιοχή των καυσαερίων, και όχι στην περιοχή αγκίστρωσης της φλόγας. Αυτό αποτελεί την καινοτομία της διάταξη, η οποία διαφέρει από τις συνήθεις διατάξεις στερεών σωμάτων βηματικής διαστολής ή συζευγμένων στροβιλιζόμενων ρευμάτων. Η διάταξη αυτή δεν έχει διερευνηθεί μέχρι σήμερα και ιδιαίτερα υπό συνθήκες διαστρωματωμένου μείγματος. Για την πειραματική διερεύνηση αυτού του πολύπλοκου συστήματος καύσης μετρήθηκαν σημαντικά μεγέθη της καύσης με χρήση διάφορων καινοτόμων μετρητικών συστημάτων και μεθοδολογιών. Η μελέτη αυτής της πολύπλοκης ροϊκής διαμόρφωσης διαχωρίζεται σε τρείς ενότητες: στη μελέτη του ισόθερμου πεδίο, του πεδίου ανάμειξης και του αντιδρώντος πεδίου. Η μελέτη του κάθε πεδίου, έγινε σταδιακά ξεκινώντας από την πιο απλή περίπτωση, αυτής χωρίς την εισαγωγή του στροβιλισμού και χωρίς την χρήση του εξωτερικού ρυθμιστικού ρεύματος αέρα και καταλήγοντας στην πιο περίπλοκη, που συνδύαζε όλες τις παραμέτρους. Αρχικά σε αυτή την εργασία θα παρουσιαστούν το ισόθερμο πεδίο και το πεδίο ανάμειξης για να καταδειχθεί η πληθώρα των δυνατών διαμορφώσεων έγχυσης καυσίμου που μπορούν να επιτευχθούν στο σύστημα των πολλαπλών δακτυλιοειδών ρευμάτων. Το ισόθερμο πεδίο ροής μετρήθηκε με χρήση του συστήματος 2D-PIV. Η επίδραση της εισαγωγής του στροβιλισμού και του εξωτερικού, συρρέοντος δακτυλιοειδούς ρεύματος αέρα στην κύρια ροή, αξιολογήθηκε μέσω του μετρημένου πεδίου ταχυτήτων και του τυρβώδους πεδίου. Οι συγκεντρώσεις του καυσίμου μετρήθηκαν με τη χρήση του συστήματος FTIR. Μετρήθηκε η κατανομή του καυσίμου στο πεδίο για διαφορετικές παραμέτρους ταχύτητας εισόδου και στροβιλισμού καθώς και για διαφορετικές θέσεις έγχυσης καυσίμου, διατηρώντας όμως σε κάθε περίπτωση την κύρια ζώνη διαστρωμάτωσης του μείγματος. Το καύσιμο εγχύθηκε είτε στην πρώτη κοιλότητα μέσω του δεύτερου δίσκου είτε στο δευτερεύον ρεύμα του στροβιλισμού είτε και στα δύο ρεύματα ταυτόχρονα. Στη συνέχεια, μελετήθηκαν οι αντίστοιχες περιπτώσεις στην αντιδρώσα ροή για πτωχά και πολύ πτωχά μείγματα καυσίμου/αέρα. Στόχος είναι να διερευνηθεί η δυνατότητα της συγκεκριμένης διάταξης να ελέγχει αποτελεσματικά τη διαδικασία της Καύσης. Το σύστημα του 2D-PIV χρησιμοποιήθηκε επίσης για τη μέτρηση του αντιδρώντος πεδίου ταχυτήτων και τύρβης. Οι μετρήσεις αυτές χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση των μεταβολών στη δομή της αντιδρώσας ροής σε σύγκριση με την ισόθερμη. Οι μετρήσεις με χρήση του συστήματος του 2D-PIV μαζί με τις μετρήσεις της απεικόνισης των χημειοφωταυγαζόντων συστατικών OH* και CH* και της θερμοκρασίας βοήθησαν στην αξιολόγηση της δομής των φλογών. Τέλος, για την αξιολόγηση των εκπομπών και της απόδοσης της καύσης του συστήματος μετρήθηκαν τα κύρια συστατικά των εκπεμπόμενων καυσαερίων για πτωχά έως πολύ πτωχά μείγματα με χρήση ενός αναλυτή καυσαερίων. Στα πλαίσια αυτής της διατριβής αναπτύχθηκε ένας καυστήρας με μελλοντικό στόχο τη χρήση του σε διάφορα πρακτικά συστήματα καύσης όπως είναι οι αεριοστρόβιλοι, οι μηχανές εσωτερικής καύσης, οι οικιακοί και βιομηχανικοί καυστήρες κ.α. Η καινοτομία του καυστήρα τον καθιστά ελκυστικό για την εφαρμογή του σε πρακτικά συστήματα καύσης. Ειδικότερα μέσω της εισαγωγής του στροβιλισμού στην περιοχή των καυσαερίων και της αλληλεπίδρασης των δύο διαδοχικών ανακυκλοφοριών τα προϊόντα της καύσης αναμειγνύονται εκ νέου με τον αέρα ή με ένα μείγμα καυσίμου/αέρα προκαλώντας περεταίρω μείωση των εκπομπών. Ο καυστήρας μέσω των ρυθμίσεων λειτουργίας του παρέχει την δυνατότητα αποτελεσματικού ελέγχου της ανάμειξης τόσο του μείγματος καυσίμου/αέρα όσο και των καυσαερίων με τον αέρα. Ακόμη η ευελιξία των συνθηκών λειτουργίας του, τον καθιστά ελκυστικό καθώς προσφέρει την δυνατότητα κάλυψης των εκάστοτε ενεργειακών αναγκών με χαμηλή κατανάλωση καυσίμου. Επιπλέον ο συνδυασμός της διαστρωμάτωσης και του στροβιλισμού βελτιώνει σημαντικά την ευστάθεια τους συστήματος, ενώ ταυτόχρονα δεν εμφανίζονται τα φαινόμενα της οπισθοχώρησης και του εκφυσίματος της φλόγας, τα οποία είναι ανεπιθύμητα σε όλες τις εφαρμογές. Τέλος η απόδοση της καύσης του συστήματος και η κατανάλωση καυσίμου διατηρούνται σε ικανοποιητικά επίπεδα λόγω της διαστρωμάτωσης του μείγματος και των μειωμένων εκπομπών αέριων ρύπων.