The design of high-energy-density fuels is an area of significant interest for high speed propulsion systems. There is a tremendous need to augment the energy content of conventional and future synthetic fuels. One possible approach to accomplish this is the addition of highly exothermic and energetic materials nanoparticles (NPs) to liquid fuels. An experimental study about vaporization, ignition and burning characteristics of liquid fuels droplets containing energetic materials NPs was carried out at elevated temperatures and atmospheric pressure under normal gravity. The evaporation, autoignition and combustion of pure and stabilized fuel droplets were also conducted at same ambient conditions for comparison. Single component (n-heptane) and multicomponent (kerosene) liquid hydrocarbon fuels were selected as base fluids. Aluminum NPs were used as energetic additives. The effect of ambient temperature on the evaporation/combustion rate constant and on autoignition delay was investigated. The effects of other factors such as concentration of NPs, type and concentration of the surfactants and the type of base fluids (single- and multi- component hydrocarbon fuel) were also investigated.
The research work starts with the investigation of physical and chemical methods to prepare homogeneous, stable and durable nanofluid fuels and their morphology were characterized. Then an isolated droplet was suspended at a silicon carbide fiber and suddenly exposed to high ambient temperature by the help of falling electric furnace at atmospheric pressure. The evaporation/combustion process and the autoignition delay times were recorded using high-speed photography. Evaporation/combustion constants were calculated from the linear regression time histories of droplet diameter squared. Furthermore, the residues obtained at the end of evaporation/combustion were collected and studied using field emission scanning electron microscope (FESEM) and energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) to understand the effect of NPs on evaporation/combustion rates at various ambient temperatures. It was found out that the evaporation (combustion) of the investigated nanofluid fuels droplets follows (does not follow) d^2-law under most of the ambient conditions. The evaporation histories of nanofluid fuels droplets showed two-staged behavior similar to pure fuel droplets except at high temperatures or with high NPs loading rates where an additional stage called ‘microexplosion’ was observed. The combustion of nanofluid fuel droplets was always different from pure fuel droplets because of disruptive burning behavior. The NPs were dragged out of the droplet through these disruptions/micro-explosions whose intensity was increased with increase in temperature or NPs concentration. The evaporation/combustion rate constants of these nanofluid fuel droplets were significantly higher than those of pure and stabilized fuel droplets at elevated temperatures (above 400 °C). Similar to pure fuel droplets, the ignition delay time of nanofluid fuel droplets decreased with an increase in ambient temperature and can be expressed by same Arrhenius-type empirical relation. The low NPs loading rates decreased the ignition delay of nanofluid fuel droplets, regardless the type of base fuel. Whereas, the high NPs loading rates increased (unaffected) the ignition delay of heptane- (kerosene-) based nanofluid fuel droplets. The addition of dilute (0.1, 0.5 and 1.0%) concentrations of NPs lowered the minimum ignition temperature of kerosene droplets to 600 °C, at which pure kerosene droplet of same initial diameter was not ignited. Whereas, the addition of dense concentrations (2.5 and 5.0%) of NPs to heptane droplets extinct the ignition at 600 °C, at which ignition was observed otherwise.
고 에너지 밀도를 가진 연료의 제조는 고속 추진 시스템에서 각광받고 있는 분야이다. 현재 기존 및 차세대 합성 연료의 에너지 증대가 필요한 실정이다. 이를 위해 가능한 접근 방법 중 하나는 액체 연료에 높은 발열량과 에너지를 가진 나노입자(NPs)를 첨가하는 것이다. 본 연구에서는 고 에너지 나노입자를 첨가한 액체 연료 액적의 증발, 점화, 연소 실험을 중력조건 및 상압, 고온조건 하에서 수행하였다. 실험결과의 비교를 위해 동일한 조건에서 순 성분 연료 액적의 증발, 자연점화 및 연소실험을 수행하였다. 기준 연료로써 단일성분 (n-heptane)과 다성분 (kerosene)을 연료를 선정하였다. 첨가제로는 고에너지 알루미늄 나노입자를 사용하였다. 상온환경이 증발상수, 연소율 및 자연점화 지연에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 나노입자들의 농도, 종류 및 표면 활성제의 농도와 같은 요소들이 기본유체(단일-다중 구성 탄화수소 연료)에 미치는 영향 또한 연구하였다.
안정하고 균일한 나노입자 혼합 연료 특성을 파악하기 위해 연료의 물리적 및 화학적인 조사를 수행하였다. 다음 단계로 단일 액적을 실리콘 카바이드 섬유에 설치하고, 상압 조건에서 전기로를 이용하여 액적 주위의 온도를 급속하게 증가시켰다. 증발/연소과정과 점화지연 시간은 초고속 카메라를 이용하여 기록하였다. 증발/연소율은 액적의 지름의 제곱에 시간의 흐름에 따른 선형 회귀 방정식으로부터 계산하였다. 또한, 증발/연소 후 남은 잔류물들을 채취하여 주변 온도변화에 따른 증발/연소율에 나노입자가 미치는 영향을 파악하기 위하여 FESEM 과 EDX 사용하여 분석하였다. 대부분의 실험 조건에서 나노유체 연료 액적의 증발 (연소) 는 d2-law 따르는 (따르지 않는) 것으로 밝혀졌다. 나노유체 연료 액적의 증발은 고농도 나노유체에서 미소폭발이 발생하는 것을 제외하면 순수한 연료 액적과 비슷한 두 단계의 증발과정을 보여주었다. 반면, 나노유체 연료 액적의 연소는 액적이 연소하면서 분열하는 현상으로 인해 순 성분 연료 액적과는 다른 양상을 보여주었다. 나노입자는 농도와 주위 온도가 증가함에 따라 분열/미소폭발 현상을 통해 액적 외부로 분출되었다. 나노유체 연료 액적의 증발상수/연소율은 (400 ℃이상) 상승된 온도에서 순수하고 안정된 연료 액적에 비해 상당히 증가하였다. 나노유체 액적의 점화 지연시간 순 연료 액적과 유사하게 주변온도 증가에 따라 감소하였고 이는 아레니우스 타입의 실험적 관계로써 표현될 수 있다. 묽은 농도의 나노 입자들은 기본 연료의 종류와 관계없이 나노유체 연료 액적의 점화 지연 시간을 감소 시켰다. 반면에, 높은 농도의 나노입자들은 기본 나노유체 연료 액적인 헵탄(케로신)의 점화 지연 시간을 증가 시켰다. 나노입자들의 희석 농도를 묽게(0.1,0.5,1.0%)하면 케로신의 최소 점화 온도를 600℃로 낮출 수 있었고, 이 온도에서 초기에 같은 지름을 갖는 순수한 케로신 액적들은 점화되지 않았다. 반면에, 헵탄 액적에 나노입자의 농도를 높이면(2.5, 5.0%) 600 ℃ 에서 순수한 헵탄 액적에는 점화가 관찰되었으나 나노 유체 액적에는 점화가 발생하지 않았다.
