Combustion of hydrocarbon fuels and liquid alternative fuels

Abstract

Experimental investigations are carried out to elucidate the influences of the amount of fuel and oxygen on critical conditions of autoignition and extinction with the gaseous counterflow burner for propane and the liquid pool counterflow burner for n-heptane, isobutanol, n-heptane/isobutanol-mix, 1-propanol, ethanol, n-decane, ndecane/isobutanol-mix and butane in laminar non-premixed flows. The conditions of these fuels depend on the characteristic flow time and the characteristic chemical time. The characteristic flow time is given by the strain rate. The chemical time depends on the adiabatic flame temperature and the stoichiometric mixture fraction. The experiments are carried out employingthe counterflow configuration. In the configuration of the gaseous counterflow burner, two streams flow toward a stagnation plane. One stream, called the fuel-stream, is made up of fuel and nitrogen, and the other stream, called the oxidizer-stream, is made up of oxygen and nitrogen. In the configuration of the counterflow liquid pool burner is also an oxidizer stream made up of oxygen and nitrogen but instead of the fuel stream is a cup filled with liquid fuel. The experiments were conducted at a pressure of 1.13 atm. The parameters that influence the autoignition and extinction experiments are the fuel mass fraction YF,1, the temperature of the fuel streamT1, the oxygen mass fraction YO2,2, the temperature of the oxidizer stream T2, and the strain rate a2. The experiments were performed at the University of California in San Diego. For the gaseous counterflow burner, critical conditions of extinction were measured at fixed values of the fuel mass fraction YF,1 = 0.6, temperature of the fuel stream T1 = 295.15 [K] and the temperature of the oxidizer stream T2 = 295.15 [K]. The strain rate at extinction aq, was measured for various values of the oxygen mass fraction YO2,2. Critical conditions of autoignition for the gaseous counterflow burner were measured at fixed values of the temperature of the fuel stream T1 = 294.15 [K] and the strain rate a = 400 s-1. Two sets of experiments were performed with the gaseous counterflow-autoignition setup; in one set the oxygen mass fraction was fixed at YO2,2 = 0.23 and the temperature of the oxidizer stream T2 was measured for various values of the fuel mass fraction YF,1 and in the other set of experiments the fuel mass fraction was fixed at YF,1 = 0.21 and the temperature of the oxidizer stream T2 was measured for various values of the oxygen mass fraction YO2,2. For the liquid pool counterflow burner critical conditions of autoignition were measured at a fixed value of the oxygen mass fraction YO2,2 = 0.23 and the temperature of the oxidizer stream T2 was measured for various values of the strain rate a.

Es werden Experimente durchgeführt um die Einflüsse der Brennstoff- und Sauerstoffmenge unter kritischen Bedingungen bei Selbstentzündung und Auslöschung von gasförmigen und flüssigen Kraftstoffen zu messen. In laminaren, nicht vor gemischten Strömungen wird mit einem Gegenstrombrenner für gasförmige Brennstoffe Propan getestet und mit einem Gegenstrombrenner für flüssige Brennstoffe werden n-Heptan, Isobutanol, ein n-Heptan/IsobutanolGemisch, 1-Propanol, Ethanol, n-Decan, ein n-Decan/Isobutanol-Gemisch und Butan untersucht. Die Eigenschaften dieser Brennstoffe hängen von der charakteristischen Auslaufzeit und von der charakteristischen chemischen Reaktionsdauer ab. Die charakteristische Auslaufzeit hängt wiederum von der Strain-Rate ab und die chemische Reaktionszeit steht in Abhängigkeit zur adiabaten Flammentemperatur und zur stöchiometrischen Mischungsfraktion. Die Experimente werden mit verschiedenen Konfigurationen eines Gegenstrombrenners durchgeführt. Bei dem Gegenstrombrenner für gasförmige Brennstoffe fließen zwei Strömungen zu einer Stagnations-Ebene zusammen. Die erste dieser beiden Strömungen wird als Brennstoffstrom bezeichnet und setzt sich aus dem jeweilig getesteten Kraftstoff und Stickstoff zusammen und die zweite Strömung wird als Oxidationsmittel-Strom bezeichnet und setzt sich aus Sauerstoff und Stickstoff zusammen. In dem Gegenstrombrenner für flüssige Brennstoffe befindet sich auch ein Oxidationsmittel-Strom aus Sauerstoff und Stickstoff aber anstatt eines Brennstoff-Stromes wird hier eine Tasse verwendet, die mit flüssigem Brennstoff befüllt wird. Die Versuche wurden bei einem Druck von 1.13 atm durchgeführt. Die Parameter die einen Einfluss auf die Selbstentzündungs- und Auslöschungsexperimente haben sind der Brennstoff-Massenanteil YF,1, die Temperatur des Brennstoffstromes T1, der Sauerstoff-Massenanteil YO2,2, die Temperatur des Oxidationsmittel-Stromes T2 und die Strain-Rate a2. Die Experimente wurden an der University of California in SanDiego durchgeführt. Beim Auslöschungs-Experiment für gasförmige Brennstoffe wurde der Brennstoff-Massenanteil auf YF,1 = 0.6, die Temperatur des Brennstoff-Stromes auf T1 = 295.15 [K] und die Temperatur des Oxidationsmittel-Stromes auf T2 = 295.15 [K] fixiert und der Sauerstoffmassen-Anteil YO2,2 variiert um für den jeweiligen Wert die Strain-Rate zu messen. Beim Selbstentzündungs-Experiment für gasförmige Brennstoffe wurde die Temperatur des Brennstoff-Massenanteil auf T1 = 294.15 [K] und die Strain-Rate auf a = 400s-1 fixiert um zwei verschiedene Versuchsreihen durchzuführen. In der ersten Versuchsreihe wurde zusätzlich der Sauerstoff-Massenanteil auf YO2,2 = 0.23 fixiert und der Brennstoff-Massenanteil YF,1 über mehrere Werte variiert um für den jeweiligen Wert die Temperatur des Oxidationsmittel-Stromes T2 zu messen. In der zweite Versuchsreihe wurde der Brennstoff-Massenstrom auf YF,1 = 0.21 fixiert und der Sauerstoff-Massenstrom über mehrere Werte variiert um für den jeweiligen Wert die Temperatur des Oxidationsmittel-Stromes T2 zu messen. Beim Auslöschungs-Experiment für gasförmige Brennstoffe wurde der Sauerstoffmassen-Anteil auf YO2,2 = 0.23 und die Temperatur des Brennstoff-Stromes auf T1 = 294.15 [K] fixiert und die Strain-Rate a2 über mehrere Werte variiert um für den jeweiligen Wert die Temperatur des Oxidationsmittel-Stromes T2 zu messen.