Mikropainovoimainen palaminen
Mutru, Tuomo (2022)
Kandidaatintyö
Mutru, Tuomo
2022
School of Energy Systems, Energiatekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022042731030
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2022042731030
Tiivistelmä
Kandidaatintyössä mikropainovoimaista palamista tutkittiin kirjallisuuskatsauksena aiemmin tehtyjen tutkimusten avulla. Työssä tarkasteltiin kolmea mikropainovoimassa suoritettua esisekoittamattoman diffuusioliekin palamistutkimusta. Tutkimuskohteet olivat kynttilän, kiinteän pinnan ja pisaran palaminen. Lopuksi työssä pohdittiin, voisiko mikropainovoimainen palamistutkimus auttaa jotenkin myös painovoimaista palamista.
Merenpinnan tasolla kynttilän liekki palaa kirkkaan keltaisena ja se muistuttaa putoavan nestepisaran muotoa. Näille ilmiöille painovoimalla on keskeinen merkitys. Liekin muoto syntyy kuuman liekin ympärillä muodostuvien tiheyserojen nostattavasta vaikutuksesta. Palamisreaktiot pilkkovat sydänlangasta höyrystyvän vahan eri hiiliyhdisteiksi. Kaasumolekyylien viritystilojen purkautuminen synnyttää liekin alaosaan sinisen värin. Tiheyserot tehostavat vapaata konvektiota ja syntyneet hiiliyhdisteet palavat nopeasti ja korkeassa lämpötilassa. Tällöin palamisessa muodostuu palamisen lopputuotteita ja nokea, joka synnyttää liekille kirkkaan keltaisen värin. Mikropainovoimassa painovoiman vaikutus häviää. Tästä syystä tiheyserojen ja vapaan konvektion vaikutus liekkiin eivät enää päde. Mikropainovoimassa liekki palaa hitaammin ja alemmassa lämpötilassa, muodostamatta nokea. Tällöin liekki näyttäytyy sinertävänä, mikä johtuu kaasumolekyylien viritystilojen purkautumisesta.
Mikropainovoimassa kynttilän liekki palaa hyvissä olosuhteissa pitkään. Kiinteä pinta osoittautui palavan joko tasaisella tai kasvavalla liekillä. Suuren heptaanipisaran palamistutkimuksessa havaittiin liekin palavan kuuman liekin lisäksi niin sanotulla ”viileällä liekillä”. Työssä käsitellyt tutkimukset korreloivat toistensa kanssa hyvin. Tästä voidaan päätellä, että mikropainovoimassa liekki palaa alemmassa lämpötilassa ja puhtaammin, kuin painovoimassa. Mikropainovoimainen palaminen luo maanpäälliseen palamistutkimukseen uuden tarkastelukulman, jonka avulla voidaan kehittää nykyistä polttotekniikkaa entistä tehokkaammaksi ja vähäpäästöiseksi. This bachelor's thesis investigated microgravity combustion as a literature review through previous research. There were three combustion research projects about non-premixed diffusion flames. Research projects investigated candle flames, flame spread over thin solids, and droplet combustion. Finally, the work considered whether microgravity combustion research could somehow also help combustion on Earth.
At sea level, the candle flame burns bright yellow and resembles the shape of a teardrop. Gravity plays a key role in these phenomena. The shape of the flame is created by the density differences around the hot flame. Combustion reactions break down the vaporizing wax from the wick into different carbon compounds. After excitation the gas molecules return to their ground state and emit blue color wavelength at the bottom of the flame. Density differences enhance free convection and carbon compounds burn quickly and at high temperatures, so the final products of combustion and soot are formed. Forming soot gives the flame a bright yellow color. In microgravity, the effect of gravity disappears. For this reason, the effect of density differences and free convection on the flame no longer applies. In microgravity, the flame burns more slowly and at a lower temperature, without forming soot. In this case, the flame appears bluish, because excitation of the gas molecules return to their ground state.
In microgravity, a candle burns in good conditions for a long time. The thin solids turned out to be burning with either a stable or growing flame. In large n-heptane burning, researchers discovered that the flame was also burning with a so-called “cool flame”. Results correlate well to each other, which leads to the conclusion that in microgravity the flame burns at a lower temperature and soot-free. Microgravity combustion creates a new perspective for combustion research. This can be used to develop current combustion technology to be more efficient with low emissions.
Merenpinnan tasolla kynttilän liekki palaa kirkkaan keltaisena ja se muistuttaa putoavan nestepisaran muotoa. Näille ilmiöille painovoimalla on keskeinen merkitys. Liekin muoto syntyy kuuman liekin ympärillä muodostuvien tiheyserojen nostattavasta vaikutuksesta. Palamisreaktiot pilkkovat sydänlangasta höyrystyvän vahan eri hiiliyhdisteiksi. Kaasumolekyylien viritystilojen purkautuminen synnyttää liekin alaosaan sinisen värin. Tiheyserot tehostavat vapaata konvektiota ja syntyneet hiiliyhdisteet palavat nopeasti ja korkeassa lämpötilassa. Tällöin palamisessa muodostuu palamisen lopputuotteita ja nokea, joka synnyttää liekille kirkkaan keltaisen värin. Mikropainovoimassa painovoiman vaikutus häviää. Tästä syystä tiheyserojen ja vapaan konvektion vaikutus liekkiin eivät enää päde. Mikropainovoimassa liekki palaa hitaammin ja alemmassa lämpötilassa, muodostamatta nokea. Tällöin liekki näyttäytyy sinertävänä, mikä johtuu kaasumolekyylien viritystilojen purkautumisesta.
Mikropainovoimassa kynttilän liekki palaa hyvissä olosuhteissa pitkään. Kiinteä pinta osoittautui palavan joko tasaisella tai kasvavalla liekillä. Suuren heptaanipisaran palamistutkimuksessa havaittiin liekin palavan kuuman liekin lisäksi niin sanotulla ”viileällä liekillä”. Työssä käsitellyt tutkimukset korreloivat toistensa kanssa hyvin. Tästä voidaan päätellä, että mikropainovoimassa liekki palaa alemmassa lämpötilassa ja puhtaammin, kuin painovoimassa. Mikropainovoimainen palaminen luo maanpäälliseen palamistutkimukseen uuden tarkastelukulman, jonka avulla voidaan kehittää nykyistä polttotekniikkaa entistä tehokkaammaksi ja vähäpäästöiseksi.
At sea level, the candle flame burns bright yellow and resembles the shape of a teardrop. Gravity plays a key role in these phenomena. The shape of the flame is created by the density differences around the hot flame. Combustion reactions break down the vaporizing wax from the wick into different carbon compounds. After excitation the gas molecules return to their ground state and emit blue color wavelength at the bottom of the flame. Density differences enhance free convection and carbon compounds burn quickly and at high temperatures, so the final products of combustion and soot are formed. Forming soot gives the flame a bright yellow color. In microgravity, the effect of gravity disappears. For this reason, the effect of density differences and free convection on the flame no longer applies. In microgravity, the flame burns more slowly and at a lower temperature, without forming soot. In this case, the flame appears bluish, because excitation of the gas molecules return to their ground state.
In microgravity, a candle burns in good conditions for a long time. The thin solids turned out to be burning with either a stable or growing flame. In large n-heptane burning, researchers discovered that the flame was also burning with a so-called “cool flame”. Results correlate well to each other, which leads to the conclusion that in microgravity the flame burns at a lower temperature and soot-free. Microgravity combustion creates a new perspective for combustion research. This can be used to develop current combustion technology to be more efficient with low emissions.