Efficiencies of Industrial furnaces are mainly restricted by heat transfer capabilities of combustion gases present at high temperature. Heat transferred from combustion gases to the wall of furnace is mainly contributed by two different modes, namely, convective and radiative heat transfer. Radiative heat transfer is the dominating mode at high temperature regions in furnaces, designed for liquid and solid fuels. The low contribution of radiative heat transfer in gaseous fuel makes these furnaces less efficient. Therefore work has to be done in order to improve the radiative heat transfer in gas fired furnace, to increase its thermal efficiencies and for making the process cost effective. The objective of this study is to improve overall heat transfer characteristics in gaseous fuel fired furnaces with a special focus on improving radiative heat transfer. Thermal radiations from combustion gases depend on local temperature of gases, concentration of different gas species and concentration of soot and particulate matter present in furnace.
Use of nanoparticles in thermal applications has attained a large interest in recent years because of their improved heat transfer characteristics. Effect of nanoparticle addition on radiative heat transfer characteristics in gaseous fuel combustion has been studied in this research. Radiative heat fluxes (RHFs) are considered to play a very important role in improving the thermal efficiency in furnaces by controlling the heat transfer from the flame to the furnace wall. The current research work is focused to investigate the effect of addition of non-combustible metal oxide (Al2O3) nanoparticles and combustible carbon (C) micro and nano scale particles on radiative heat transfer capabilities in LPG combustion. Concentration of nanoparticles in water suspensions was varied to a maximum of 3.40% nanoparticles by weight to avoid choking of the feeding capillary. Temperature data inside the furnace, heat flux data at the furnace wall, visible near infrared (Vis-NIR) spectrum and radiation intensities was recorded for each set of additive. Physical changes in flame structure were also observed and images of different flames were captured.
Current research provide some fundamental insight of possible reasoning responsible for the improvement in heat transfer characteristics with addition of nano and micro particles to a gaseous fuel combustion. The added particles increase the radiation emission by providing unique gas solid interactions, by providing catalytic action resulted in alteration of radical chemistry with in flame, as well as they add solid surface in flame to radiate black body emission depending upon their emissivity. Because the addition of different additives to the LPG combustion alter the radiative characteristic so influence of additives on radiative heat flux was significantly profound as compared to that of total heat flux. Maximum increase in radiative heat flux was observed with addition of non-combustible alumina nanoparticles when 75% increase in radiative heat flux was observed along port 2. For combustible carbon nano and micron size particle additions, the effect on radiative and total heat flux are opposite to that obtained for non-combustible alumina. Combustible nature of particles impart some energy to increase total heat flux in combustor. Presence of particles in flame region generate fair bit of higher radiative heat flux but as particles were consumed leaving only hot combustion gases, the radiative heat flux approach to LPG combustion.
산업용 노의 효율은 높은 온도에서 존재하는 가스의 연소로 인한 열전달에 의하여 결정된다. 연소가스에서부터 노의 벽으로 전달되는 열은 대류와 복사 열전달로 불리는 두 가지의 열전달 형태에 의해 정해진다. 복사 열전달은 액체나 고체 연료를 위해 설계된 노 안에서 높은 온도 영역에서 지배적인 열전달 형태이다. 가스 형태의 연료 속에서 복사 열전달의 낮은 기여도는 이러한 노의 효율성을 저하시킨다. 따라서 가스가 연소되는 노 속에서의 복사 열전달을 향상시키기 위해서는 이러한 연구가 진행되어야만 한다. 열효율과 공정의 비용효율을 높이기 위해서는 복사 열전달의 향상이 필수적이다. 이 연구의 목표는 가스가 연소되는 노 속에서 복사 열전달에 초점을 맞춰 전체적인 열효율 특성을 향상 시키는 것에 있다. 연소 가스로부터의 열 복사는 가스의 국부적인 온도, 서로 다른 종류의 가스 농도, 노 속에 존재하는 그을음과 입자성 물질에 의해 결정된다.
열 응용기기 안에서의 나노입자의 사용은 열전달 특징을 향상시키기 때문에 최근 몇 년간 주목을 받아왔다. 이 연구에서 가스형태 연료의 연소에서의 복사 열전달성에 대한 나노입자의 영향을 연구하였다. 복사 열유량(RHF)은 노 속에서 화염으로부터 노의 벽면으로의 열전달을 조절함으로써 열효율을 향상시키는 데에 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다. 현재 이 연구는 LPG 연소에서 복사열전달 능력에 대한 불연성의 산화알루미늄 (Al2O3) 나노입자와 연소 가능한 마이크로, 나노 규모의 탄소(C)의 첨가 효과를 조사하는데 초점을 맞추었다. 물과 나노입자의 혼합물 속에서 모세관 현상에 의한 막힘을 피하기 위해 나노입자의 농도를 최대 3.4%까지 변화시켰다. 각각의 첨가제 세팅에 대하여 노 속에서 온도 데이터, 노의 벽면에서의 열유량 데이터, 적외선 근처의 가시 스펙트럼(Vis-NIR), 복사 강도를 기록하였다. 화염 구조의 물리적 변화를 관찰하였고, 이에 따른 화염 이미지를 획득하였다.)
현재 연구는 가스형태의 연료 연소에서 나노와 마이크로 입자 첨가가 있는 열전달의 특징에서의 향상에 대한 타당한 이유에 대한 근본적인 통찰력을 제공한다. 첨가된 입자는 첨가된 입자의 자신의 방사율에 따른 흑체복사 하는 화염 속에서의 고체 표면을 더할 뿐만 아니라 고유의 기체-고체 상호작용을 제공함으로써, 화염 속에서 급격한 화학반응의 변화를 수반하는 접촉작용을 제공함으로써 복사율을 향상시킨다. LPG에 다른 첨가물의 추가는 복사 특성을 변하게 하기 때문에, 첨가물은 복사 열 플럭스에서 총 열 플럭스와 비교해 상당한 영향을 미친다. 불연성 알루미나 나노 입자를 추가하여 포트2를 통해75%의 복사 열유량의 증가를 확인했을 때, 복사 열유량의 최대 증가가 관찰되었다. 나노 및 마이크로 사이즈의 가연성 탄소입자의 추가로 인해 복사와 총 열플럭스에서의 영향은 불연성 알루미늄과 전혀 다른 양상을 보인다. 연소기에서 총 열 플럭스를 증가시키기 위해 가연성 입자들은 에너지를 전달한다. 화염 영역 속에 입자가 존재하면 상당히 높은 복사 열유량을 발생시킨다. 그러나 뜨거운 연소가스 영역에서 입자들이 소모 됨에 따라 복사 열유량이 입자가 없는 LPG 연소와 같아졌다.
