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.
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.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.7
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pp.1002-1009
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2000
Among the various types of diesel after-treatment device, the corona discharge reactor may be considered as a powerful process for trapping submicron particles. But after precipitation on the electrodes occurs, the reentrainment of particles is severe and often causes low or negative precipitation efficiency. Experiments were performed to investigate the effect of an applied voltage on the reentrainment of soot particles from the electrodes. A co-annular laminar diffusion flame burner was used as the soot generator. When a highly negative voltage was applied, exfoliation of the deposited soot particles and an increase in concentration of particles smaller than approximately 150 nm were observed. Turbulence induced from the negative tuft corona and sputtering caused particle reentrainment from the corona wire and from plates as well. Under soot laden combustion gas, a streamer corona often occurred in the wire-cylinder reactor. Because of its transient nature, streamer corona violently increased the concentration of reentrained particles and CO gas.
To visually and chemically verify the rainout of soot particles, a model experiment was carried out with the cylindrical chamber (0.2 m (D) and 4 m (H)) installing a cloud drop generator, a hydrotherometer, a particle counter, a drop collector, a diffusing drier, and an artificial soot particle distributer. The processes of the model experiment were as follows; generating artificial cloud droplets (major drop size : $12-14{\mu}m$) until supersaturation reach at 0.52%-nebulizing of soot particles (JIS Z 8901) with an average size of $0.5{\mu}m$-counting cloud condensation nuclei (CCN) particles and droplets by OPC and the fixation method (Ma et al., 2011; Carter and Hasegawa, 1975), respectively - collecting of individual cloud drops - observation of individual cloud drops by SEM - chemical identifying of residual particle in each individual droplet by SEM-EDX. After 10 minutes of the completion of soot particle inject, the number concentrations of PM of all sizes (> $0.3{\mu}m$) dramatically decreased. The time required to return to the initial conditions, i.e., the time needed to CCN activation for the fed soot particles was about 40 minutes for the PM sized from $0.3-2.0{\mu}m$. The EDX spectra of residual particles left at the center of individual droplet after evaporation suggest that the soot particles seeded into our experimental chamber obviously acted as CCN. The coexistence of soot and mineral particle in single droplet was probably due to the coalescence of droplets (i.e., two droplets embodying different particles (in here, soot and background mineral particles) were coalesced) or the particle capture by a droplet in our CCN chamber.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.7
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pp.863-870
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2004
The temperature and soot particle measurement technique in a laminar diffusion flame has been studied to investigate the characteristics of soot particle with temperature using a co-flow burner. The temperature distribution in the flame were measured by rapid insertion of a R-type thermocouple and the soot particles by LEM/LIS techniques. In these measurement, soot volume fraction, number density and soot diameters were analyzed experimentally. As a results, the spacial distributions of particle volume fraction, soot diameter, and number density are mapped throughout the flame using the Rayleigh theory for the scattering of light by particles. A laser extinction method was used to measure the soot volume fraction and laser induced scattering method was used to measure the soot particle diameter and number density. Also, we measured temperature without the effect of soot particles attached to the thermocouple junction, which is close to the nozzle. In this result, we found that upstream zone has a unstable flowing in co-flow diffusion flame and the y-axis temperature of flame has a uniform temperature distribution in the most soot volume fraction zone.
The temperature and soot particle measurement technique in a laminar diffusion flame have been studied to investigate the characteristics of soot particle with temperature using a co-flow burner. The temperature distributions in the flame were measured by rapid insertion of a R-type thermocouple and the soot particles were detected were detected by LEM/LIS techniques. In these measurement, soot volume fraction, number density and soot diameters were analyzed experimentally. As a results, the spacial distributions of particle volume fraction, soot diameter, and number density are mapped throughout the flame using the Rayleigh theory for the scattering of light by absorbing particles. A laser extinction method was used to measure the soot volume fraction and Laser induced scattering method was used to measure the soot particle diameter and number density. Also, we measured temperature without the effect of soot particles attached to the thermocouple junction, which is close to the nozzle. In this result, we found that upstream zone has a unstable flowing in co-flow diffusion flame and the y-axis temperature of flame has a uniform temperature distribution in the most soot volume fraction zone.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.10
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pp.1326-1338
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1997
Electrical characteristics of soot particles in a LPG diffusion flame were studied for the control of soot particle coagulation. When a DC voltage was applied between two electrodes installed parallel to gas flow, ionic wind effect caused soot deposition on the cathode, implying that most of the soot particles were positively charged. Soot deposit on the cathode linearly increased and was saturated with respect to the strength of the applied voltage. The possibility of applying an AC voltage to enhance the particle coagulation was then investigated and the efficiency of the size control was checked with transmission electron microscope photographs. For the amplitude of 2 kV AC field, primary (spherical) soot particle size decreased from 30 ~ 40 nm to around 20 nm when the frequency of the applied AC voltage was 60 Hz and higher. Collisions between the soot particles in such a selected AC condition could lead to the formation of much bigger agglomerates of roughly 1-5 .mu.m in size.
Computation is performed to predict number density, volume fraction and size distribution of soot particles in typical operating conditions of a diesel engine. KIVA has been integrated with the CMC routine to consider turbulence/chemistry coupling and gas phase kinetics for heat release and soot precursors. The compositions of soot precursors are estimated by tracking Lagrangian particles to consider spatial inhomogeneity and differential diffusion in KIVA. The soot simulator SWEEP is employed as a postprocessing step to calculate conditional and integral quantities of soot particles.
The characteristics of soot vaporization induced by a high-energy Pulsed laser were studied in an ethylene-air laminar flame. A system consisting of two pulsed lasers was used for the experiments. The pulse from the first laser was used to vaporize the soot particles, and the delayed pulse from the second laser was used to measure the residual soot volume fraction. Laser-induced soot vaporization was characterized according to the initial particle size distribution. The results indicated that soot particles could not be completely vaporized simply by introducing a high intensity laser pulse. Residual soot volume fractions present after vaporization appeared to be insensitive to the initial soot particle size distribution. Since the soot vaporization effect is more pronounced in the region of high soot concentrations, this laser-induced soot vaporization technique may be a very useful tool for measuring major species in highly sooting flame.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.7
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pp.984-993
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2000
Characteristics of carbon soot particles generated in diffusion flames were studied. Non-sooting and sooting normal diffusion flames using propane or ethylene as fuel were selected. In the flames, soot volume fraction was measured by a thermocouple, and primary particle diameter and cluster size were analyzed by TEM photographs. The characteristics of soot particles depended on flame(non-sooting or sooting) and fuel(propane or ethylene) type. Unlike the sooting diffusion flames, particle growth and oxidation processes were clearly observed in the non-sooting diffusion flames. In the sooting diffusion flames, soot particle size was slightly changed at the flame tip.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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