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Experimental Investigation of the Heat Flux from Laminar Premixed Ethanol/Air and Hydrogen/Ethanol/Air Flames to Walls Using Thermographic Phosphors

Mohammed, Mohammed Ahmed Alkhader

Premixed impinging flame jets have been widely used in both industrial and domestic applications because of their advantages in offering high heat transfer rates and simple handling. Nevertheless, for the process of flame impingement on walls, the interaction between the combustion process and heat transfer to the wall is also not sufficiently understood, thus many of the impingement heating systems are not utilized at optimal conditions. In addition, the fuels used in previous work concentrate almost exclusively on methane or natural gas, while other important fuels like ethanol or hydrogen were rarely or never investigated. Furthermore, most recent studies focus on only one geometry, flame impingement normal to a flat surface. Therefore, there is little work on ethanol / air flames that strike normally or at an angle to flat surfaces. Moreover, investigations on ethanol/air flames impinging normally on cylindrical surface have not been reported yet. In this experimental study, the thermographic phosphor method was implemented to study the heat flux at the stagnation point on the impingement surface. For that purpose, light emitting diodes (LED) were used to excite the phosphorescence of solgel deposited chromium-doped alumina (Cr3:Al2O3, ruby) on both sides of solid walls in different experiments. The phosphorescence lifetimes depend on temperature, so they were evaluated to extract the impingement surface temperatures. The heat fluxes were calculated using a one-dimensional conduction equation. Laminar premixed flames that were investigated are ethanol-air flames and hydrogen-ethanol-air flames. The burner exit diameter is 30 mm. Three different types of configurations were studied for impinging flames. These are flame impinging upwards normally on a flat surface, flame striking at different angles on a flat surface and flames impinging upwards normally on cylindrical surfaces (Tube). In the case of ethanol/air flames impinging normally on a flat surface, the following parameters were investigated: impingement surface thermal conductivity, cold gas velocity of the air/fuel jet, equivalence ratio of the air/fuel jet, surface-to-burner distance, oxygen amount in oxidizer and enrichment of the mixture ethanol/air with hydrogen. It was found that using zirconia as an impingement surface material instead of alumina under identical operational conditions reduces the heat flux measurement errors from approximately 13% to 2.3%. In a stoichiometric condition, the experimental results were compared with simulated results. It was observed that the results obtained experimentally have smaller values than those obtained from simulation. The highest heat flux was obtained at the equivalence ratio of 1.0. The lowest heat flux was obtained at the lowest applied equivalence ratio of 0.75. The heat flux increased when the plate-to-burner distance was decreased. The use of an oxidizer with a lower percentage of nitrogen than in air enhanced the heat flux. Also, it was found that when hydrogen volume fraction increases, the heat flux increases, and this effect is more significant at high cold gas velocity. In the investigation of the angle dependent heat flux on the flat plat of stoichiometric ethanol/air flames, it was found that the heat flux in the decreased as the inclination angle was reduced. The maximum heat flux was obtained at the inclination angle of 90°. In comparison to heat transfer to flat plates, in heat transfer to cylindrical surfaces higher heat fluxes are found. In almost all experimental results, the measured heat flux indicates the change of the flame stabilization mechanism from a burner stabilized to a stagnation plate stabilized flame with increasing cold gas velocity.

Vormischflammen werden zum Heizen sowohl industriell als auch iin Privathaushalten vielfältig eingesetzt. Ihre Vorteile liegen in einer hohen Wärmeübertragungsrate und einer einfachen Handhabung. Dennoch ist der Prozess der der Wechselwirkung zwischen Verbrennungsprozess und Wärmeübertragung an die Wand weiterhin nicht ausreichend verstanden, weswegen die meisten Anwendungen nicht unter den günstigsten Bedingungen betrieben werden. Hinzu kommt, dass sich frühere Arbeiten fast ausschließlich mit der Verbrennung von Methan oder Erdgas, hingegen andere wichtige Brennstoffe wie Ethanol oder Wasserstoff selten oder gar nicht untersuchtwurden. Desweiteren befassen sich die meisten bisherigen Studien mit einer eingeschränkten Geometrie, der senkrechten Strömung der Flamme auf eine ebene Oberfläche. Daher gibt es kaum Arbeiten zu Ethanol/Luft-Flammen, die in verschiedenen Winkeln auf eine ebene Oberfläche treffen. Untersuchungen zum Auftreffen einer Ethanol/Luft-Flamme auf eine gekrümmte Oberfläche sind bisher nicht berichtet worden. In dieser weitgehend experimentellen Arbeit werden thermograpische Phosphore eingesetzt, um die Wärmestromdichte am Staupunkt einer auf eine Oberfläche treffenden Flamme zu untersuchen. Hierzu werden beide Seiten der später durch die Flamme beheizten Oberfläche mit einem dünnen, polykristallinen Rubin-Film im Sol-Gel-Verfahren beschichtet. Die Phosphoreszenz von Rubin (mit Chrom dotierter Korund; Cr3:Al2O3) wird durch Leuchtdioden angeregt. Die Lebensdauer der Phosphoreszenz ist temperaturabhängig, sodass sich hieraus die Oberflächentemperaturen bestimmen lassen. Die Wärmestromdichte kann hieraus unter Annahme eindimensionaler Wärmeleitung ermittelt werden. Laminare, vorgemischte Ethanol/Luft- und Wasserstoff/Ethanol/Luft-Flammen werden hier untersucht, die von unten nach oben brennen und einen darüber befindlichen Probekörper heizen. Der Brennerdurchmesser beträgt 30mm. Es werden drei Geometrien untersucht: Ebene Platte senkrecht zur Flamme, ebene Platte mit vorgegebenem Winkel zur Flamme sowie zylindrische Rohre senkrecht zur Flamme. Im Falle der senkrecht angeströmten Platte wurden folgende Parameter untersucht: Plattenmaterial mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit, Strömungsgeschwindigkeit des Kaltgases, das Brennstoff/Luft-Verhältnis, der Abstand von Brenner und Platte, der Sauerstoffgehalt des Oxidators und die Zusammensetzung des Brennstoffs durch Zugabe von Wasserstoff zum Ethanol. Es stellte sich heraus, dass der Wechsel des Plattenmaterials von Aluminiumdioxid zu Zirkoniumdioxid den Fehler der Wärmestromdichtenmessungen von 13% auf 2,3% reduziert. Die experimentell bestimmten Wärmestromdichten der stöchiometrischen Verbrennung wurden mit Simulationsergebnissen verglichen wobei die Werte des Experiments unter denen der Modellierung lagen. Die höchste Wärmestromdichte wurde bei einem Äquivalenzverhältnis von 1,0 ermittelt (stöchiometrische Verbrennung) und die niedrigste bei dem niedrigsten gewählten Äquivalenzverhältnis von 0,75. Die Wärmestromdichte erhöhte sich mit abnehmendem Abstand von Brenner zu Platte. Wurde der Stickstoffgehalt der Luft reduziert, so erhöhte sich die Wärmestromdichte ebenfalls. Ebenso konnte die Wärmestromdichte durch Zugabe von Wasserstoff erhöht werden, wobei dieser Effekt bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten stärker war. Zur Untersuchung des winkelabhängigen Wärmeübergangs auf ebene Platten von stöchiometrischen Ethanol/Luft-Flammen zeigte sich eine Abnahme der Wärmestromdichte bei Abnahme des Winkels. Im Vergleich zu der ebenen Platte zeigen die Messungen am Zylinder eine höhere Wärmestromdichte, wenn die Flamme am Staupunkt stabilisiert ist. In nahezu allen Messreihen ist der Wechsel von einer brennerstabilisierten Flamme zu einer staupunktstabilisierten Flamme bei Erhöhung der Strömungsgeschwindiugkeit zu erkennen.

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Mohammed, Mohammed Ahmed Alkhader: Experimental Investigation of the Heat Flux from Laminar Premixed Ethanol/Air and Hydrogen/Ethanol/Air Flames to Walls Using Thermographic Phosphors. 2015.

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