Maija Zake

Experimental and Numerical Study of Swirling Flows and Flame Dynamics

Abstract The effect of swirling air on the flow dynamics was investigated for the cold non-reacting flows and the flame arising at thermo-chemical conversion of biomass pellets downstream of a cylindrical channel. Under experimental and numerical investigation was the swirling flow dynamics with the primary axial air supply below a biomass layer and swirling air supply above it. The results indicate that for cold flows the swirling air jet outflow from tangential nozzles leads to the formation of a complex flow dynamics which is influenced both by upstream and downstream air swirl propagation near the channel walls, with correlating swirl-enhanced formation of the upstream and downstream axial flows close to the flow centreline depending on the swirling air supply rate. These axial flows can be completely balanced at their stagnation within the axial recirculation zone. It is shown that at equal boundary conditions for the swirling flame and the cold flows the swirling flow dynamics is influenced by the upstream air swirl-enhanced mixing of the reactants below the air swirl nozzles. This determines the formation of a downstream reaction zone with correlating development of the flow velocity, temperature and composition profiles in the downstream flame regions with improved combustion stability. The low swirl intensity in these regions prevents the formation of a recirculation zone Kopsavilkums Ir veikti kompleksi aukstu nereaģējošu un liesmas virpuļplūsmu dinamikas veidošanās eksperimentālie pētījumi, izvērtējot galvenos faktorus, kas ietekmē šo plūsmu dinamikas veidošanos cilindriskā kanālā virs granulēta biomasas slāņa pie aksiālas primārā gaisa padeves zem granulu slāņa un gaisa virpuļplūsmas padeves virs tā. Auksto virpuļplūsmu pētījumi apliecina, ka plūsmas dinamiku būtiski ietekmē divu savstarpēji konkurējošu un pretēji vērstu virpuļplūsmu veidošanās pie tangenciālās gaisa padeves sprauslas izejas. Lejupvērstā virpuļplūsma, kas veidojas pie kanāla sienām, ierosina no granulu slāņa atstarotās augšupvērstas aksiālās plūsmas veidošanos, palielinot plūsmas aksiālo ātrumu, savukārt augšupvērstā tangenciālā plūsma veido pretēji vērstu aksiālo plūsmu, veidojot recirkulācijas zonu ar izteiktu aksiālās plūsmas stagnāciju tās centrālajā daļā. Pie vienādiem primārā un sekundārā gaisa padeves nosacījumiem atšķirīga plūsmas dinamikas veidošanās ir konstatēta liesmas virpuļplūsmai, kuras veidošanos būtiski ietekmē granulētas biomasas gazifikācija ar sekojošu gaistošo savienojumu uzliesmošanu un degšanas procesa veidošanos liesmas centrālajā daļā. Reversās virpuļplūsmas veidošanās intensificē gaistošo savienojumu sajaukšanos ar gaisa virpuļplūsmu, un stabila degšanas procesa veidošanos plūsmas centrālajā daļā ar korelējošu aksiālā plūsmas ātruma palielināšanos salīdzinot ar nereaģējošo aukstā gaisa plūsmu, pie vienādiem šo plūsmu veidošanās sākuma nosacījumiem samazinot liesmas virpuļskaitli un ierobežojot recirkulācijas zonas veidošanos degšanas zonas pamatnē.

Regulation possibilities of biomass combustion

Abstract The focus of the recent experimental research is to analyze the regulation possibilities of biomass combustion. Three possibilities were chosen as part of this research: a) biomass cofiring with propane, b) swirling flow with re-circulation zone, and c) use of a permanent magnet. The aim of the research is to provide stable, controllable and effective biomass combustion with minimum emissions. The special pilot device was created where biomass can be combusted separately and co-fired with propane. Wood pellets were used during the experiments.

Magnetic Field Control of Combustion Dynamics

Abstract Experimental studies and mathematical modelling of the effects of magnetic field on combustion dynamics at thermo-chemical conversion of biomass are carried out with the aim of providing control of the processes developing in the reaction zone of swirling flame. The joint research of the magnetic field effect on the combustion dynamics includes the estimation of this effect on the formation of the swirling flame dynamics, flame temperature and composition, providing analysis of the magnetic field effects on the flame characteristics. The results of experiments have shown that the magnetic field exerts the influence on the flow velocity components by enhancing a swirl motion in the flame reaction zone with swirl-enhanced mixing of the axial flow of volatiles with cold air swirl, by cooling the flame reaction zone and by limiting the thermo-chemical conversion of volatiles. Mathematical modelling of magnetic field effect on the formation of the flame dynamics confirms that the electromagnetic force, which is induced by the electric current surrounding the flame, leads to field-enhanced increase of flow vorticity by enhancing mixing of the reactants. The magnetic field effect on the flame temperature and rate of reactions leads to conclusion that field-enhanced increase of the flow vorticity results in flame cooling by limiting the chemical conversion of the reactants.

Mathematical Modeling on Electromagnetic field Control of the Combustion Process

The present paper considers a mathematical model of 2 D compressible, laminar, axial symmetric flame flow taking into account the Lorentz force action on the development of fuel combustion in a cylindrical pipe. The combustion process is modeled with Arrhenius kinetics using a single step exothermic chemical reaction between fuel and oxidant. The analysis of nonstationary PDEs system with 7 unknown functions is carried out. For the inviscid flow approximation the implicit finite difference scheme in time with upwind differences in space is used. The results of numerical simulation are confirmed by the results of the experimental study of the electromagnetic field effect on the thermo-chemical conversion of biomass mixture (straw+wood).

Experimental Study of Thermal Decomposition and Combustion of Lignocellulosic Biomass Pellets / GRANULĒTAS LIGNOCELULOZES BIOMASAS TERMISKĀS SADALĪŠANĀS UN DEGŠANAS PROCESU EKSPERIMENTĀLIE PĒTĪJUMI

The study is aimed at cleaner and more efficient heat energy production through investigation and analysis of the thermal decomposition of lignocellulosic biomass pellets with different elemental composition, the heating values and contents of hemicellulose, cellulose and lignin. The estimation is provided for the influence of biomass composition on the combustion characteristics for softwood, wheat straw and wheat straw lignin pellets. The kinetics of thermal decomposition was studied experimentally, using a pilot device for two-stage processes of thermochemical conversion including gasification and combustion of biomass pellets under varying conditions. The experimental study includes time-dependent measurements of the biomass pellet weight loss during gasification and the correlating variations of the flame temperature, heat production rates, combustion efficiency and composition of the products at different stages of thermochemical conversion. Estimation is also given for the influence of the biomass composition on the combustion characteristics and heat energy production. Kopsavilkums Pētījumu galvenais mērķis ir iegūt tīru un efektīvu siltumenerģijas ražošanu, izmantojot dažādas izcelsmes biomasas granulas (koksnes, kviešu salmu, kviešu salmu lignīna) ar atšķirīgu elementāro sastāvu, siltumspēju, hemicelulozes, celulozes un lignīna saturu, veicot detalizētu šo granulu termiskās sadalīšanās un degšanas procesu izpēti. Eksperimentālie termiskās sadalīšanās un degšanas procesu pētījumi ir veikti, izmantojot eksperimentālo iekārtu ar integrētu gazifikatoru un degšanas kameru. Granulētās biomasas termiskās sadalīšanās un degšanas procesu kinētiskie pētījumi ietver granulu masas zudumu mērījumus biomasas gazifikācijas procesā un korelējošās degšanas zonas temperatūras, saražotā siltuma daudzuma un degšanas produktu sastāva mērījumus dažādās gazifikācijas un degšanas procesa stadijās, izvērtējot biomasas elementārā un ķīmiskā sastāva ietekmi uz šiem procesiem.

The Effect of Varying Magnetic Field Gradient on Combustion Dynamic

The Effect of Varying Magnetic Field Gradient on Combustion Dynamic The focus of the recent experimental research is to provide control of the combustion dynamics and complex measurements (flame temperature, heat production rate, and composition of polluting emissions) for pelletized wood biomass using a non-uniform magnetic field that produces magnetic force interacting with magnetic moment of paramagnetic oxygen. The experimental results have shown that a gradient magnetic field provides enhanced mixing of the flame compounds by increasing combustion efficiency and enhancing the burnout of volatiles. Magnētiskā lauka gradienta izmaiņas ietekme uz degšanas procesa d inamiku Pasaulē ir liela interese par biomasas izmantošanu energijas ražošanai, tomēr biomasas izmantošana siltumenergijas un elektro energijas ražošanā ir ierobežota, jo dažādas izcelsmes biomasai ir raksturīga neviendabīga struktūra, sastāvs, mitrums un zems energētiskais blīvums. Eksistē vairāki paņēmieni (gaisa uzsildīšana pirms padeves, degšanas procesa temperatūra, reakcijas norises laiks, siltuma sadalījums utt.), ar kuru pielietošanas palīdzību var samazināt emisiju daudzumu un palielināt degšanas p rocesa efektivitāti. Pēdējos 20 gados pētnieki no Japānas atklājuši, ka magnētiskais lauks izraisa nozīmīgas izmaiņas liesmas uzvedībā: tiek mainīta forma un izmērs, kā arī emisijas. Pētījuma mērķis ir izpētīt, kā magnētiskā lauka gradienta izmaiņas ietekmē liesmas virpuļplūsmas ātrumu un sastāva profilus, dedzinot koksnes granulas. LU Fizikas institūta laboratorijā ir izveidota eksperimentālā iekārta, kur tiek dedzinātas koksnes granulas un propāns. Apkārt iekārtai ir izveidots magnētiskais lauks ar d ivu elektromagnētu palīdzību. Eksperimentālo pētījumu rezultātā tika konstatēts, ka, palielinot magnētiskā lauka indukciju līdz 42 mT, tiek uzla bota paramagnētiskā skābekļa recirkulācija virzienā uz gazificējamās koksnes granulu virsmu, uzlabojot kurināmā liesm as sastāvdaļu sajaukšanos un gaistošo savienojumu degšanu, kas savukārt palielina degšanas procesa efektivitāti un siltumenergijas ražošanas ātrumu. Pie relatīvi liela magnēti skā lauka indukcijas (B > 18 mT) palielināts liesmas virpuļplūsmas ātrums samazin a ķīmisko reakciju norises laiku, degšanas efektivitāti, CO2 tilpuma daļu, savukārt palielinot nesadedzināto liesmas daļiņu CO un H2 masas daļu.