Natural gas burner design for outside vapor deposition process

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Özcan-Ketola, Nergiz
dc.contributor.advisor Juutinen, Osmo
dc.contributor.author Paukkonen, Leo
dc.date.accessioned 2018-11-13T13:33:27Z
dc.date.available 2018-11-13T13:33:27Z
dc.date.issued 2018-11-06
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/34701
dc.description.abstract The aim of this thesis was to study how gas burner design affects flame temperature. Efficient use of combustion starting materials is important for controlling pollutant emissions and material consumption. In this thesis three burners with two rings of gas inlets were designed. The hole-to-hole distance between adjacent holes was varied between the burners. Natural gas (NG) and oxygen (O2) were used as the fuel and oxidizer at varying levels of mixing prior to the burner inlets. The designed burners were created to mimic the burners used in Outside Vapor Deposition (OVD) process that is used in production of optical fibers. The literature part consists of theory of combustion and burner design. The combustion theory is divided into chapters for combustion chemistry, flame temperature, and for two kinds of flame types that are laminar and turbulent. The literature about burner design focuses on the effects of burner geometry, gas flow conditions, and hole-to-hole arrangement on the heat transfer from burner. In addition, burner safety is covered with flame stabilization, gas flammability limits, and flashback. In the experimental part a calculation method for flashback prediction is created and the design process of the three burners with their design variables is presented. In addition, the flame temperature method and three designs of experiments are presented with reasoning. The results of maximum and average flame temperature with their corresponding standard deviations as well as flame shape and length are presented. It was observed first that the upper flammability limits for this natural gas stock and pure oxygen was at volume percentage (vol-%) ratio of NG 57:43 O2. A flashback did occur at low gas flow rates, suggesting that the flashback calculation method is not suitable for burners with multiple inlets. The flame temperature was measured at NG vol-% of 57, 59, 62 and 65. The highest flame temperature 1224 °C was measured at NG vol-% of 62 with burner no. 1, that had the shortest hole-to-hole distance between gas inlets. The standard deviation of flame temperature varied between 13.3 and 31.3 °C. No clear distinction between the burners can be drawn as there was no clear logic behind the results. However, gas flow rates and the ratio of NG to O2 do influence the flame temperature and its standard deviation at certain measurement spot in the flame. The flame was fluctuating with all burners and gas flow conditions, resembling a diffusion flame. The flame length varied with gas flow rates and was between 60 to 75 cm. en
dc.description.abstract Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia miten kaasupolttimen malli vaikuttaa sen tuottaman liekin lämpötilaan. Palamisprosessissa käytettävien materiaalien tehokas käyttö on tärkeää saastepäästömäärien hallitsemisessa ja palamismateriaalien kulutuksen kannalta. Tässä työssä suunniteltiin kolme kahdella syöttöaukkokehällä varusteltua poltinta. Syöttöaukkojen välinen etäisyys vaihteli polttimien välillä. Polttokaasuna käytettiin maakaasua (NG) ja hapettimena puhdasta happea (O2), joiden esisekoitussuhdetta ennen polttimelle syöttöä vaihdeltiin. Poltinsuunnittelussa pyrittiin jäljittelemään polttimia, joita käytetään ulkopuolen kaasufaasikerrostuksessa (OVD), joka on osa optisten kuitujen valmistusprosessia. Työn kirjallinen osa koostuu palamistekniikan ja poltinsuunnittelun teoriasta. Palamistekniikan teoria on jaettu palamistekniikan kemiaan, liekin lämpötilaan sekä laminaariseen että turbulenttiin liekkityyppiin. Poltinsuunnittelu keskittyy polttimen geometrian, kaasujen virtausolosuhteiden ja reikien välisen asettelun vaikutuksiin polttimen lämmönsiirtoon. Tämän lisäksi tarkastellaan polttimen turvallisuutta liekin stabiloinnin, kaasun syttymisrajojen ja liekin takaisinpalamisen (flashback) osalta. Kokeellisessa osassa kehitettiin laskentamalli ennustamaan liekin takaisinpalamisen olosuhteita ja kuvataan kolmen polttimen suunnitteluprosessia suunnittelumuuttujineen. Lisäksi liekin lämpötilan mittaustapa ja kolme koesuunnitelmaa esitetään perusteluineen. Lisäksi esitetään liekin korkeimman ja keskimääräisen lämpötilan mittaustulokset keskihajontoineen sekä liekin muoto ja pituus. Laboratoriotestien aikana havaittiin, että tämän maakaasuerän ja hapen seoksen ylempi syttymisraja on tilavuusprosenttien (vol-%) suhteessa NG 57:43 O2. Pienellä kaasujen virtausmäärällä tapahtui flashback, joka viittaa flashbackin ennustusmallin sopimattomuuteen useampireikäisille polttimille. Liekin lämpötila mitattiin maakaasun tilavuusprosenteissa 57, 59, 62 ja 65. Korkein lämpötila 1224 °C saavutettiin polttimella nro. 1, jonka syöttöreikien etäisyys toisiinsa oli pienin, maakaasun tilavuusprosentin ollessa 62. Liekin lämpötilan keskihajonta vaihteli 13.3 ja 31.3 °C:een välillä. Selvää eroa polttimien välille mittaustulosten perusteella ei saatu tehtyä, koska erot lämpötiloissa eivät olleet johdonmukaisia. Kaasujen virtausnopeuksien ja maakaasun ja hapen syöttösuhteiden muuttamisella oli kuitenkin vaikutusta liekin lämpötilaan ja sen keskihajontaan kiinteässä mittauspisteessä. Liekin muoto aaltoili kaikilla polttimilla ja kaasujen virtausnopeuksilla muistuttaen vahvasti diffuusioliekkiä. Liekin pituus oli 60-75 cm riippuen kaasujen virtausnopeudesta. fi
dc.format.extent 69+12
dc.language.iso en en
dc.title Natural gas burner design for outside vapor deposition process en
dc.title Maakaasupoltinmalli ulkopuolen kaasufaasikerrostukseen fi
dc.type G2 Pro gradu, diplomityö fi
dc.contributor.school Kemian tekniikan korkeakoulu fi
dc.subject.keyword OVD en
dc.subject.keyword natural gas en
dc.subject.keyword gas burner en
dc.subject.keyword flame temperature en
dc.subject.keyword combustion en
dc.identifier.urn URN:NBN:fi:aalto-201811135738
dc.programme.major Fibre and Polymer Engineering fi
dc.programme.mcode CHEM3024 fi
dc.type.ontasot Master's thesis en
dc.type.ontasot Diplomityö fi
dc.contributor.supervisor Alopaeus, Ville
dc.programme Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering fi
dc.location PK fi
local.aalto.electroniconly yes
local.aalto.openaccess no


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account