Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.9
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pp.1101-1109
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2004
Experimental measurements of flame structure and soot characteristics were performed fur ethene inverse diffusion flames (IDF). IDF has been considered as the excellent flow field to study the incipient soot because soot particle do not experience the oxidation process. In this study, LIF image clarified the reaction zone of IDF with OH signal and PAH distribution. laser light scattering technique also identified the being of soot particle. To address the degree of soot maturing, C/H ratio and morphology of soot sample were investigated. From these measurements, the effect of flow residence time and temperature on soot inception could be suggested, and more details on soot characteristic in the IDF was determined according to fuel dilution and flame condition. The fuel dilution results in a decrease of temperature and enhancement of residence time, but the critical dilution mole fraction is existed for temperature not to effect on soot growth. Also, the soot inception evolved on the specific temperature and its morphology are independent of the fuel dilution ratio of fuel.
The lifted oscillating flame has been studied using experiments of inverse diffusion flames that the air jet injected into a methane background. To find out the characteristics of inverse diffusion flames, fundamentally flame stabilized diagram is investigated with various air and fuel jet velocities. It has five regions - flame extinction, stable attached flame, anchored flame, liftoff flame and blow off region. In inverse diffusion flame, lifted flames were observed near the blow off region. As long as flames lift off, flames oscillate by periods. In this oscillating lifted flame region, the frequency of 1 and under were observed in various air and methane jet velocities. Characteristics of lifted flames are also examined by using the ICCD direct image. And intensity of flame chemiluminescence is very different in rising and falling period from photographs. For the present, it is predicted that the changes of flame structure are related with flame oscillation, but more experiments will be needed to make clear the phenomenon.
The effect of temperature distributions on soot volume fraction in double-concentric diffusion flames have been investigated experimentally. Using fine thermocouple wires and a rapid insertion mechanism, we have measured temperature without the effect of soot particles attached to the thermocouple junction, which can lower the temperature signal about 100 K by increasing the heat loss from the junction by radiation. The temperature at the flame axis is higher in the double-concentric diffusion flames than in normal co-flow diffusion flames because of the inverse diffusion flame. However, it is almost the same as that at the periphery of normal flames, on which the inverse flame does not have an effect. Thus, the lower soot concentration found in the double-concentric diffusion flame can be explained by the effect of nitrogen diffusion from the central air jet.
The temperature distribution in double-concentric diffusion flames have been investigated experimentally by rapid insertion technique. Using a fine thermocouple and rapid insertion mechanism, the temperature has been measured before soot particles attach the thermocouple junction which can affect the temperature signal by changing the radiation heat loss. For double-concentric diffusion flames, the temperature at the axis is higher than that of normal coflow diffusion flames because of the inverse diffusion flame at the center of the flame. However, it is almost same at the periphery on which the inverse flame does not have an effect.
Multi-hole type oxygen combustion burner was developed for industrial gasification and smelting furnace. We investigated characteristics of flame, radiation transfer, and soot emission in the convectional oxygen burner with respect to the feeding condition of fuel and oxygen. Regarding the results of the conventional burner, we designed new burners which have larger fuel consumption rate and radiation heat transfer. We changed the size and hole number and shape of the exit plane of the burner. In addition, the performance of the burner was tested with respect to the feeding condition of the fuel and air: Normal Diffusion flame(NDF) and Inverse Diffusion Flame(IDF). We investigated the flame configuration, radiation heat transfer, and soot formation by using a CCD camera, heat flux meter, and Laser Induced Incadescence(LII), respectively. The stable operating condition was obtained by the flame configuration and the flame of the burner which has dented exit plane was more stable in whole operating conditions. The characteristics of radiative heat transfer were sensitive to the feeding condition of reactants and the flame of 75% primary oxygen and 25% secondary oxygen of the IDF case shows maximum radiation heat transfer. The soot volume fraction of the flame was measured in the axial direction of the flame and the amount of soot volume fraction is proportion to the radiation heat transfer. As a result, we can get the optimal operating condition of the newly designed burner which enhances the characteristics of flame stabilization and radiation heat transfer.
Synthesis of carbon nanofibers on a metal substrate by an ethylene fueled inverse diffusion flame was illustrated. Stainless steel plates were used for the catalytic metal substrate. The effects of radial distance and residence time of the substrate were investigated. The role of hydrocarbon composition in the fuel was also viewed. Nanofibers with a diameter range of 30-70 nm were found on the substrate. The carbon nanofibers were formed and grown in the region from 4 to 5.5 mm from the central axis of a flame outside of the visible flame front in the radial direction. The minimum residence time required for the formation of carbon nanofibers were about 20 seconds, and over 60 seconds were required for the full-scale growth. The characteristic time of the formation of carbon nanofibers was much shorter than that of the substrate temperature growth. In this study, the variation in hydrocarbon composition had no significant effect on the formation and growth of the carbon nanofibers.
Lee Eui-Ju;Ahn Chan-Sol;Shin Hyun-Joon;Oh Kwang-Chul;Lee Uen-Do
Fire Science and Engineering
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v.19
no.3
s.59
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pp.58-63
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2005
Experimental measurements of flames and the product properties were performed for small kerosene pool fires. which is widely used as a fire source of laboratory scale experiments with scaling modeling. The flame length and flickering frequency were investigated for the flame structures, and compared with the theory. Three measurement methods were introduced to clarify the smoke characteristics, i.e. various gas concentrations, smoke density and thermophoretic sampling with transmission electron microscopy (TEM). The yield of carbon dioxide and the consumption of oxygen were proportional to the heat release rate of pool fires, but there is no trend on carbon monoxide emission. Smoke density of turbulent flames was exponentially increased with the heat release rate. The morphology of the soot particle was investigated to address the degree of soot maturing. The results show that the similar smoke morphology between an inverse jet flame and a pool fire exists despite of different combustion controlling mechanisms.
The evolution of incipient soot particles has been examined by high resolution electron microscopy (HRTEM) and elemental analyzer in ethylene-air inverse diffusion flames. Laser Induced Incandescence(LII) and laser scattering methods were introduced for examining the change of soot volume fraction and morphological properties in combustion generated soot qualitatively. Soot particles, collected by thermophoretic sampling were analyzed by using HRTEM to examine the nano structure of precursor particles. HRTEM micrographs apparently reveal a transformation of condensed phase of semitransparent tar-like material into precursor particles with relatively distinct boundary and crystalline which looks like regular layer structures. During this evolution histories C/H analysis was also performed to estimate the chemical evolution of precursor particles. The changes of C/H ratio of soot particles with respect to residence time can be divided into two parts: one is a very slowly increasing regime where tar-like materials are transformed into precursor particles (inception process) the other is an increasing region with constant rate where surface growth affects the increase of C/H ratio dominantly (surface growth region). These results provide a clear picture of a transition to mature soot from precursor materials.
The evolution of incipient soot particles has been examined by high resolution electron microscopy (HRTEM) and elemental analyzer in ethylene-air inverse diffusion flames. Laser Induced Incandescence(LII) and laser scattering methods were introduced for examining the soot volume fraction and morphological properties in combustion generated soot qualitatively. Soot particles, collected by thermophoretic sampling, were analyzed by using HRTEM to examine the nano structure of precursor particles. HRTEM micrographs apparently reveal a transformation of condensed phase of semitransparent tar-like material into precursor particles with relatively distinct boundary and crystalline which looks like regular layer structures. During this evolution histories, C/H analysis was also performed to estimate the chemical evolution of precursor particles. The changes of C/H ratio of soot particles with respect to residence time can be divided into two parts: one is a very slowly increasing regime where tar-like materials are transformed into precursor particles (inception process) the other is an increasing region with constant rate where surface growth affects the increase of C/H ratio dominantly (surface growth process). These results provide a clear picture of a transition to mature soot from precursor materials.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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