Catalytic combustion is one of the suitable methods which is applicable to micro heat source due to high energy density and no flame quenching. And hydrogen can be oxidized at room temperature with platinum catalyst. So hydrogen-fueled micro catalytic combustor with platinum catalyst can be good and easy-handling heat source for another micro devices. In this work we focused on general catalytic combustion characteristics of hydrogen-air premixed gas in 10mm scale catalytic combustor for the further application to micro scale. Platinum was coated on dense ceramic monolith which can be installed in simple-structured catalytic combustor. We investigated the effect of flow rate, heat loss and platinum percentage in catalyst-coated monolith on catalytic combustion performance by temperature distribution in the combustor. By those results we confirmed catalytic reactivity and estimated reaction area. And we simulated micro scale catalytic reaction by sliced monolith. The results of this work will be important design factors for micro scale catalytic combustor.
Combustion Characteristics and quenching criteria of micro combustor in various condition was exploited experimentally. Two different gases were used, and various geometric matrixes were considered to figure out quenching characteristic of micro combustor. The micro combustor studied in this study was constant volume, and has cylindrical shape. Geometric parameter of combustor was defined to be combustor height and diameter. The effect of height was exploited parametrically as 1 mm, 2mm and 3mm and the effect of diameter was parameterized to be 7.5mm and 15mm. Three different combustibles. (1) Stoichiometric mixture of methane and are, (2) Stoichiometric mixture of hydrogen and air and (3) Mixture of hydrogen and air with fuel stoichiometry of two were used. Pressure transition during combustion process was recovered. The ratio of maximum pressure to initial pressure responded favorably with the change of height of combustor and the initial pressure, the maximum pressure was also increased. The flame propagation was observed only when a specific condition was satisfied. From the experiment the condition that guarantees stable propagation of flame was tabulated. The tabulated results includes criteria of quenching according to combustor height, combustor diameter, species of fuel and initial pressure.
In this paper, the electrical power output of the micro-combustor thermophotovoltiac(TPV) system was analyzed. The system consists of a micro-combustor, photonic crystals(PhCs), and photovoltaic cells(PV cells). The system has a micro-combustor that can achieve over 1,000 K surface temperature by consuming 2.5 g/h hydrogen fuel. Also, this system incorporates current state-of-the-art PhCs surfaces(2D Ta PhCs and Tandem Filter) to increase electrical power output. In addition, InGaAsSb PV cell, which bandgap is 0.55 eV, was applied to convert a wide range of radiative energy. The performance analysis shows that a single micro-combustor TPV system can produce 0.4 W ~ 27.7 W electrical power with the temperature change of emitter(900 K ~ 1,500 K) and PV cell(250 K ~ 400 K).
As the size of a combustor decreases to a MEMS scale, heat loss increases and becomes a dominant effect on the performance of the devices. Existing models, however, are not adequate to predict the heat transfer and combustion processes in such small scales. In the present study, a semi-empirical model to calculate heat loss from a micro combustor is described. The model derives heat transfer coefficients that best fits the heat loss characteristics of a micro combustor that is represented by transient pressure record after combustion is completed. From conservation of energy equation applied to the burned gas inside the combustor, a relationship between pressure and heat transfer is reduced. Two models for heat transfer coefficients were tested; a constant and first order polynomial of temperature with its coefficients determined from fitting with measurements. The model was tested on a problem of cooling process of burnt gas in a micro combustor and comparison with measurements showed good agreements. The heat transfer coefficients were used for combustion calculation in a micro vessel. The results showed the dependence of flame speed on the scale of the chamber through enhanced heat loss.
A theoretical and experimental study on the combustion process in a constant volume micro combustor is described. Unlike in a macro scale constant volume combustor, the heat loss to the wall plays a major role in flame propagation in a micro micro combustor. In order to analyze the effect of heat loss on combustion phenomena, pressure transition from ignition was measured. A number of cylindrical micro combustors with different diameter and depth were used for experiment to study the effect of length scales and shape factor. The diameter of combustor ranged from 7.5mm to 22.5 mm and the height of cylinder was from 1mm to 4mm. Initial pressure was also varied for the experiment. The diagnostic methods were severely limited due to the size of the apparatus and uncertainties of certain quantities to be measured in a small-scale environment. An analytical method to derive physical quantities that are essential for performance prediction from the pressure measurements is described.
To develop an engineering-model of hydrogen-fueled ultra-micro combustor for Ultra Micro Gas Turbine(UMGT), we reviewed and summarized the problems in downsizing combustors, and determined a suitable burning method. The key issue to actualize practical ultra-micro combustors is reducing heat loss from the combustor to compressor and turbine. The reduction of heat loss was discussed from 3 different viewpoints; heat-insulation material, high-space-heating-rate combustion, and combustor-insolated gas turbine structure. Use of heat-insulation material induced the heat loss reduction to the surroundings. The heat loss ratio decreased substantially in reverse proportion to space heating rate, leading the idea that it could be reduced by burning at a high space heating rate. By settling the combustor insolated from the compressor and turbine, the heat transfer from the combustor to the compressor and turbine becomes smaller. For a selection of the suitable burning method, comparison between 2 burning methods, flat-flame and swirling-flamer types, was conducted. Synthetically the flat-flame burning method was confirmed to be more suitable for ultra-micro combustors than latter one. Base on them, an engineering-model of hydrogen-fueled flat-flame ultra-micro combustor was developed. To obtain high overall heat-insulation, heat-resistant and strength, the engineering-model combustor had triple layer structure with an advanced ceramic, a heat insulation material and a stainless steel. To simplify heat transfer issue in the combustor, it was isolated from the other components. Furthermore it was designed by considering structure, size, material, velocity, pressure loss and prevention of flashback.
초소형 정적 연소기의 연소 성능에 대한 실험을 수행하였다. 연소기 형상과 크기의 영향을 알아보기 위해 몇 가지 형태의 연소기를 제작하였다. 연소기는 납작한 원통형 정적 연소기로써 연소기의 지름이 15mm인 경우에 대해서 높이가 1mm, 2mm, 3mm인 것을 제작하였고, 지름의 영향을 알아보기 위해서 연소기의 높이와 지름이 각각 2mm 와 7.5mm 인 것을 제작하였다. 사용된 연료는 당량비 1인 메탄과 공기의 혼합기체와 당량비 1과 2인 수소와 공기 혼합 기체이다 실험을 통하여 연소중의 압력 변화를 측정하였다. 최대 압력은 연소기의 높이와 초기 압력이 증가할수록 증가하였다 화염의 전파를 쉴리렌 방법을 이용하여 가시화를 하였다. 열손실의 영향을 극복하고 화염의 전파가 가능하게 하는 초기 압력을 제시하였다.
A micro cyclone combustor was developed to be used as a heat source of thermoelectric power generator (TPG). The cyclone combustor was designed so that fuel and air were supplied to the combustion chamber separately. The mixing and flow characteristics in the combustor were investigated numerically. The global equivalence ratio (${\Phi}$), defined using the fuel and air flow rates, was introduced to examine the flow features of the combustor. The mixing of fuel and air inside the combustor could be well understood using the fuel concentration distribution. It was found that the weak recirculating zone was formed upper the fuel-supplying tube in case of ${\Phi}$ < 1.0. In addition, it was found that small regions that have a negative axial velocity exist near the fuel injection ports. It is assumed that these negative axial velocity regions can stabilize a flame inside the micro cyclone combustor.
A micro cyclone combustor was developed to be used as a component of mobile power generator (MPG). The cyclone combustor was designed so that fuel and air were supplied to the combustion chamber separately to prevent a flash-back. The flame shape stabilized inside the micro cyclone combustor was visualized experimentally and the flow field and the combustion characteristics of the combustor were investigated numerically. The global equivalence ratio (${\Phi}$), defined using the fuel and air flow rates, was introduced to examine the overall flow and flame features of the combustor. The flame stabilization mechanism could be well understood using the velocity distribution inside the combustor. For only non-reacting case, it was found that a weak recirculating zone was formed upper the fuel-supplying tube in case of ${\Phi}$ < 1.0. It was also found that small regions that have a negative axial velocity exist near the fuel injection ports for both of non-reacting and reacting case. It was identify that a flame front was stabilized at the negative axial velocity regions near the fuel injection ports.
A micro cyclone combustor was developed to be used as a heat source of thermoelectric power generator (TPG). The cyclone combustor was designed so that fuel and air were supplied to the combustion chamber separately. The mixing and flow characteristics in the combustor were investigated numerically. The global equivalence ratio ($\Phi$), defined using the fuel and air flow rates, was introduced to examine the flow features of the combustor. The mixing of fuel and air inside the combustor could be well understood using the fuel concentration distribution. It was found that the weak recirculating zone was formed upper the fuel-supplying tube in case of ${\Phi}$<1.0. In addition, it was found that small regions that have a negative axial velocity exist near the fuel injection ports. It is assumed that these negative axial velocity regions can stabilize a flame inside the micro cyclone combustor.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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