Flame characterization in domestic gas boilers

Abstract

In the last decades, pollutant emissions from burning fossil fuels have become of great public concern due to their impact on health and the environment. For this reason, strict legislations have come into force worldwide, which obligate to reduce these emissions. For heating devices such as boilers, it has been realized that these emissions’ reduction could be effectively done with the concept of lean premixed combustion. However, lean premixed combustion technology is more vulnerable to the interactions with system acoustics, which brings a negative side effect: Thermoacoustic instabilities. Thermoacoustic instabilities occur from the feedback loop between the heat release and the acoustic waves in the complete system. They can lead to unwanted noise, flame extinction and, in extreme cases, structural damages. In domestic boilers, these instabilities show themselves as loud noise and flame extinction. In order to eliminate thermoacoustic instabilities in domestic boilers, the trial and error method is used commonly, which requires significant amount of effort and time. Therefore, the researches are focussing on predicting these instabilities at the early stages, where the flame characterization is an important part of the prediction of the thermoacoustic instabilities. In this study, the flame characterization of the burners used in domestic gas boilers is done experimentally. The Flame Transfer Function method is employed, which is a popular approach for the characterization of the flame response to acoustic perturbations. First, an experimental setup is built, where the velocity fluctuations of the fuel/air mixture and the heat release fluctuations from the flame could be measured. Then, the effects of different parameters, i.e. equivalence ratio, gas quality, perturbation amplitude and burner type on the flame response are investigated.

Son yıllarda, fosil yakıt yakma sonucunda ortaya çıkan kirletici emisyonlar, insan sağlığına ve çevreye olan etkileri nedeniyle endişe uyandırmaya başlamıştır. Bu nedenle, bu emisyonların azaltılması için dünya çapında katı yasalar çıkarılmaktadır. Kombi gibi ısıtma cihazlarında, emisyonların etkin bir şekilde azaltılmasının ancak fakir önkarışımlı yanma ile mümkün oldğgu anlaşılmıştır. Fakat; fakir önkarışımlı yanma teknolojisi, sistem akustiği ile etkileşime eğilimli olduğundan dolayı olumsuz bir yan etkiyi de beraberinde getirmektedir: Termoakustik düzensizlikler, ısı salınımı ve sistemdeki akustik dalgalar arasındaki geri besleme döngüsünden meydana gelmektedir. İstenmeyen gürültülere, alev sönmesine ve ileri durumlarda yapısal hasarlara neden olabilirler. Bu düzensizlikler, ev tipi gazlı ısıtıcılarda (kombilerde) yüksek gürültü ve alev sönmesi olarak görülebilir. Ev tipi gazlı ısıtıcılardaki termoakustik düzensizlikleri önlemek için, yüksek efor ve zaman gerektiren deneme yanılma yöntemi kullanılmaktadır. Bu nedenle, araştırmalar bu düzensizlikleri daha erken safhalarda tahmin etme üzerine yoğunlaşmıştır. Burada, alev karakterizasyonu termoakustik düzensizlikleri tahmin etmede önemli bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada, ev tipi gazlı ısıtıcılarda kullanılan brülörlerin alev karakterizasyonu deneysel olarak yapılmıştır. Alevin akustik düzensizliklere karşı gösterdiği davranışı karakterize etmek için popüler bir yaklaşım olan Alev Transfer Fonksiyonu yöntemi kullanılmıştır. Öncelikle, yakıt/hava karışımındaki hız dalgalanmalarını ve alevdeki ısı salınımı dalgalanmalarını ölçebilmek için deneysel test düzeneği kurulmuştur. Daha sonra, yakıt/hava karışım oranı, gaz kalitesi, pertürbasyon genliği ve brülör tipi gibi farklı parametrelerin alevin tepkisine olan etkisi araştırılmıştır.