Observations of soot during droplet combustion at low gravity: heptane and heptane/monochloroalkane mixtures

Experimental observations of the combustion of sooting fuel droplets, performed in a drop tower to create a low gravity environment, are reported. Free n-heptane droplets and suspended droplets of heptane, monochloroalkanes, and mixtures of monochloro-octane and heptane were studied. Initial droplet diameters ranged from 0.4 to 1.1 mm. The results suggest that soot may influence droplet vaporization rates. Spherical symmetry of the flame allowed for extended observation of soot agglomerates inside the droplet flame. Effects of slight convective flows were also observed, both through variations of natural convection around the suspended droplets and through variations in the drift velocities of the unsupported droplets. Slight convective flows around the suspended droplets reduced flame luminosity as well as soot accumulation inside the flame and increased droplet vaporization rates. Mixing monochloro-octane with n-heptane demonstrated the effectiveness of n-heptane in reducing soot emissions from the flames of the chlorinated fuels. Finally, trends of initial droplet diameter with burning rate were observed and may be linked to the effect of droplet size upon soot formation inside the flame.

RésuméOn décrit les observations expérimentales de la combustion, avec formation de suies, des gouttes combustibles dans une tour créant un environnement à faible gravitation. Cela concerne des gouttelettes libres de n-heptane et des gouttelettes suspendues d'heptane, de monochloro-alcanes et de mélanges de monochloro-octane et d'heptane. Les diamètres initiaux des gouttelettes sont entre 0,4 et 1,1 mm. Les résultats suggèrent que la suie peut influencer la vitesse de vaporisation de la goutte. On observe de faibles courant de convection, à la fois à travers des variations de convection naturelle autour des gouttes suspendues et à travers des variations dans les vitesses des gouttes non supportées. Des faibles courants convectifs autour des gouttes suspendues réduisent la luminosité de la flamme aussi bien que l'accumulation de la suie dans la flamme et ils accroissent les vitesses de vaporisation de la goutte. Le mélange de monochloro-octane avec le n-heptane montre l'efficacité du n-heptane dans la réduction de la formation de suie dans les flammes de combustibles chlorés. On observe l'influence du diamètre initial sur la vitesse de combustion et on peut la relier à l'effet de la taille des gouttes sur la formation de suies dans les flammes.

ZusammenfassungEs wird über experimentelle Beobachtungen bei der Verbrennung ruβbildender Brennstofftröpfchen berichtet, die zur Erzeugung einer verminderten Schwerkraft in einem Fallturm durchgeführt worden sind. Es werden freie Tröpfchen aus n-Heptan betrachtet, auβerdem suspendierte Tröpfchen aus Heptan, Monochloralkan und Gemischen aus beiden. Die anfänglichen Tropfendurchmesser liegen im Bereich zwischen 0,4 und 1,1 mm. Die Ergebnisse deuten darauf hin, daβ der Ruβ die Verdampfungsgeschwindigkeit der Tröpfchen beeinflussen könnte. Die Kugelsymmetrie der Flamme ermöglichte eine ausführliche Beobachtung der Ruβanhäufungen innerhalb der Tröpfchenflamme. Auβerdem wurden schwache Konvektionsströmungen beobachtet, die sowohl aufgrund der Änderung der natürlichen Konvektion um die suspendierten Tröpfchen als auch aufgrund von Änderungen der Driftgeschwindigkeit der freien Tröpfchen auftreten. Die geringe Konvektionsströmung um die suspendierten Tröpfchen reduziert sowohl die Helligkeit der Flamme als auch die Ruβansammlung innerhalb der Flamme und erhöht die Verdampfungsgeschwindigkeit der Tröpfchen. Die Mischung von Monochloroktan mit n-Heptan zeigt die Wirksamkeit von n-Heptan bei der Reduktion der Ruβemission in Flammen chlorierter Brennstoffe. Schlieβlich werden Auswirkungen des anfänglichen Tröpfchendurchmessers auf die Verbrennungsgeschwindigkeit untersucht. Diese könnten mit dem Einfluβ des Tröpfchendurchmessers auf die Ruβbildung innerhalb der Flamme in Verbindung gebracht werden.

РефератПpнвoдятcя дaнныe экcпepнмeптaльныч нaблюдeинн зa гopeниeм кaпeль кoптящeгo тoплнвa, ocyщecтвляeмым в кaпeльнoй гpaднpнe c нeлью coздaния cpeды c мaлoй cилoй тяжecти. Иccлeдoвaлнcь cвoбoдныe кaплн н-гeнтaнa н взвeщeнныe кaплн гeптaнa, мoнoчлopoaлкaнoв, a тaкжe cмeceй мoнoчлopooктaнa н гeптaнa. Haчaльный днaмeтp кaпeль нзмeнялcя в ннтepвaлe 0,4-1,1 мм. Peзyльтaты пoкaзывaют, чтo кoпoть мoжeт oкaзывaть влняннe пa cкopocть нcпapeпня кaпeль. Cфepнчecкaя cнммeтpня плaмeпн пoзвoлнлa пpoвecтн нaблюдeння зa cкoплeннямн кoпoтн внyтpн нeгo. Haблюдaлнcь тaкжe эффecты cлaбыч кoнвeктнвныч тeчeннй, пpoявляющнecя кaк в нзмeнeнняч ecтecтвeннoн кoнвeкцнн вoкpyг взвeщeпныч кaпeль, тaк н в нзмeнeнняч дpeйфoвыч cкopocтeй cвoбoдныч кaпeль. Cлaбыe кoнвeктнвныe тeчeння вoкpyг взвeщeнныч кaпeль yмeньшaлн яpкocть плaмeнн, a тaкжe нaкaлнвaннe кoпoтн в плaмeнн н ннтeнcнфнцнpoвaлн нcпapeннe кaпeль. Cмeщнвaннe мoнoчлopooктaнa c н-гeптaнoм пpoдeмoнcтpнpoвaлo эффeктнвнocть нcпoльзoвaния н-гeптaпa для yмeньщeння выдeлeння кoпoтн нз плaмeни члopнpoвaнпыч тoплнв. Kpoмe тoгo, нaблюдaлнcь нзмeнeния нaчaльнoгo диaмeтpa кaпeль c интeнcивнocтью гopeния, кoтopыe мoгyт быть cвязaны c влияниeм paзмepa кaпли нa oбpaзoвaниe кoпoти в плaмeни.