Modelling and Experimental Investigations on Thermal Radiation in Combustion Environments

Abstract: Popular Abstract in Swedish Värmestrålning är högst relevant i förbränningsmiljöer. I dessa miljöer är förbränningsgaser och partiklar den huvudsakliga källan till värmestrålning. Förbränningsmiljön är komplex att beskriva. Analys av turbulenta flöden, kemiska reaktioner och transport av energi måste göras för att fullständigt beskriva miljön. Att kunna beskriva dessa fenomen är en viktig del i förståelsen av miljön men även för att kunna designa nya förbränningsmiljöer. Värmestrålning är en del av den energitransport som sker i förbränningsmiljön. Denna avhandling behandlar specifikt ett urval av de modeller som beskriver hur gaser och partiklar avger och tar upp värmestrålning, så kallade egenskapsmodeller. Två specifika förbränningsmiljöer har även studerats med avseende på värmestrålning, förbränningsmiljöer med hög andel kolmonoxid och de som existerar i rosterpannor. Vatten i gasform och koldioxid är de gaser som huvudsakligen inverkar på värmestrålningen men även andra gaser kan bidra, t ex metan och kolmonoxid. Sot är en partikel som förekommer i många förbränningsmiljöer. I de miljöer som eldar fasta bränslen, t ex biomassa, kol eller avfall, kan bränslepartiklar och aska även finnas. Resultaten från studier av egenskapsmodeller visar att då en viss andel partiklar finns i förbränningsmiljön så är det inte alltid motiverat att använda alltför avancerade egenskapsmodeller för gaserna. Enkla modeller kan prediktera likvärdiga resultat för värmestrålningen med avsevärt mindre behov av dataresurser. Detta beror på att partiklar börjar dominera upptagandet och avgivandet av värmestrålning jämfört med gaserna. Olika egenskapsmodeller för partiklar kan även påverka hur väl värmestrålningen predikteras. Väldigt ofta används enkla egenskapsmodeller för partiklar. För aska, kan dessa enkla egenskapsmodeller kan ge stora fel i uppskattningen av värmestrålningen. Resultaten från studier av egenskapsmodeller i denna avhandling guidar oss till några av de modeller som kan användas och vilka som skall undvikas. Kolmonoxid är en gas som har en mindre växelverkan med strålning än de två vanligaste gaserna, vatten och koldioxid. Av denna anledning så försummas oftast värmestrålningen från kolmonoxid. I förgasningsmiljöer kan volymandelen av kolmonoxid vara upp mot och över 50%. Detta är en väldigt hög andel jämfört med vanliga förbränningsmiljöer. Av denna anledning är det intressant att undersöka om kolmonoxid fortfarande går att bortse ifrån i förgasningsmiljöer, då värmestrålningen till väggarna avses. Denna avhandling visar att bidraget från kolmonoxiden fortfarande kan försummas i förgasningsmiljöer. Detta beror på att det oftast också finns små mängder av koldioxid och vatten vilka, på grund av dess starka strålningsegenskaper, överskuggar bidraget från kolmonoxiden. Den andra förbränningsmiljön som studerades var rosterpannan. Rosterpannan är en förbränningsteknologi som förbränner fasta bränslen. Förbränningen av bränslet startar längst ner i pannan på rostern och försätter ovan i förbränningsrummet av de brännbara gaser och partiklar som lämnar bränslebädden. I denna avhandling har fokus varit på värmestrålningen i förbränningsrummet. Både modelleringsstudier och experimentella studier har genomförts på olika rosterpannor. En första utredning av värmestrålning i rosterpannan var en parameterstudie. Parametrarna som studerades var partikelmängder från avfall och biomassa, storlekar på pannan och strålningsegenskaper för pannans ytor. Mest partiklar skapas vid förbränning av avfall så detta bränsle hade störst inverkan på värmestrålningen. Generellt ökade värmestrålningen till väggarna i pannan när storleken ökade. Valet av strålningsegenskaper för väggar och bädd visade sig ha stor inverkan på värmestrålningen. En 400 kW rosterpanna i pilotskala studerades genom att utföra mätningar och modellering. Mätningarna som utfördes på rosterpannan har inte tidigare utförts på någon rosterpanna. Uppmätt data användes som en input till modellering av pannan vilket möjliggjorde en djupare studie av värmestrålningen i pannan. Studien av pilotpannan visade att partiklar kan ha en stor inverkan på värmestrålningen till väggarna. Då partiklar betraktades så fördubblades värmestrålningen till väggarna i pannans nedre delar.