Please use this identifier to cite or link to this item: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/17813
Title: การศึกษาโครงสร้างเปลวไฟและการถ่ายเทความร้อนของเจ็ทเปลวไฟหมุนควงแบบผสมก่อน
Other Titles: Study of Flame Structure and Heat Transfer of Premixed Swirling Flame Jet
Authors: ชยุต นันทดุสิต
ณัฐมาศ อุปถัมภ์
Faculty of Engineering Mechanical Engineering
คณะวิศวกรรมศาสตร์ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล
Keywords: เจ็ต;ความร้อน การถ่ายเท;เปลวไฟ
Issue Date: 2020
Publisher: มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์
Abstract: The impinging flame jet is the method for a heating surface with high heat transfer rate and can increase the temperature on the surface rapidly. In general, the impinging flame was mainly used for the flame jet from the pipe nozzle or orifice nozzle which the impinging flame provides a high heat transfer rate only the jet impingement area. This results in non-uniform heat distribution on the surface. In this research, the flame structure and heat transfer characteristics of swirling flame jet had been studied, which the swirling flame jet can improve the uniform heat distribution and can enhance heat transfer rate on the surface. In the experiment, the nozzle with a cylindrical chamber of 20mm in diameter was applied for swirl flow generation. The chamber was connected with double inlets tangentially. The inlet has a square cross-section with D=5 mm in height. The inlets were injected with a mixture of LPG and air into the chamber for generating swirling flame jet. In this study, the experimental parameters consisted of equivalence ratio between LPG and air at ф=0.8, 1.0, and 1.2 with Reynolds number Re=2,000, 4,000, and 6,000. The effect of chamber height for swirling flame structure was studied at H=2.2D, 3.4D, 4.6D, 5.8D and 7.0D. The structure of swirling free flame jet was studied by the digital camera while the heat distribution in swirling flame jet using Schlieren imaging technique. In addition, the flame temperature distribution in the swirling flame structure was measured using a thermocouple type-B. For the heat transfer on the surface with swirl impinging flame jet, the nozzle to the impingement plate distance was studied at L=4D, 6D, 8D, and 10D. The measurement can be divided into two parts; Including the overall average heat transfer measurement and local heat transfer measurement using the heat flux sensor, it can be known heating performance from the swirling flame. Also, the heat transfer enhancement on the surface using swirling flame jet were compared with the flame jet from a pipe nozzle at a Reynolds number Re=2,000. In the result, the swirling flame structure can be divided into three zones, including the neck zone near the chamber exit, the reaction zone, and the post-combustion flame zone. The flame structure for all zones changed with the increase of Reynolds number and the increase of equivalence ratio affected to the color in the flame and the flame length. The height of the swirl chamber at H=2.2D, 3.4D, 4.6D, 5.8D, and 7.0D affected to the swirling flame structure. The flame spreading was changed and divided into two flames which the swirl angle of the flame to the jet axial was varied at swirl angle 24.5°, 18.5°, 15.5°, 13.5°, and 10.5°, respectively. Also, when Increasing the height of the swirl chamber, the swirling velocity becomes and increasing the jet spreading rate near the chamber exit. The flame was mixed and entrained with the ambient air. It was found that the case of chamber height at H=4.6D provided the heat distribution. This corresponded to the swirling flame structure recorded by the digital camera and agreed with the results of flame temperature measurement. When the swirling flame impinges on the surface, the flame covered broadly on the impingement surface and resulted in uniform heat transfer on the surface. The case of chamber height H=4.6D at impingement distance L=4D provided the highest average heat transfer on the surface. It was found that the equivalence ratio at Q=1.2 provided the highest heat transfer for all the cases and heating performance was increased up to 67%. This is due to the air entrainment providing the complete combustion near the impingement surface. In this study, the heat transfer for swirling impinging jet and impinging jet from pipe nozzle was also compared. It was found that for the case of impingement distance less than L=6D, the swirling flame jet provided higher heat transfer rate than the impinging jet from pipe nozzle for average heat transfer and local heat flux at center of the nozzle. However, when increasing the impingement distance larger than L=6D, due to the flame structure from pipe nozzle, the heat transfer give highest heat transfer rate at the center point of impingement which makes the heat transfer is lower than swirling impinging flame jet about 30% for all equivalence ratio and for the case of impingement distance larger than L=8D. Since the flame structure of swirling impinging jet spread broadly and impinged on the surface with a large flame covering the area. The average heat transfer for swirling impinging jet was higher than the case of the flame jet from pipe nozzle about 40% for all equivalence ratios and impingement distances.
Abstract(Thai): การใช้เจ็ทเปลวไฟพุ่งชนเป็นวิธีการให้ความร้อนบนพื้นผิวที่ให้อัตราการถ่ายเทความร้อนที่สูงและสามารถเพิ่มอุณหภูมิบนพื้นผิวได้อย่างรวดเร็ว โดยปกติแล้วการใช้เจ็ทเปลวไฟพุ่งชนนิยมใช้เจ็ทเปลวไฟจากหัวฉีดแบบท่อหรือแบบเจาะรูกลม ซึ่งเปลวไฟจะให้ความร้อนสูงเฉพาะบริเวณที่เปลวไฟไหลปะทะพื้นผิวโดนตรงเท่านั้น ทำให้การกระจายความร้อนบนพื้นผิวไม่สม่ำเสมอ ในงานวิจันนี้ศึกษาโครงสร้างเปลวไฟและการถ่ายเทความร้อนของเจ็ทเปลวไฟแบบหมุนควง ซึ่งสามารถเพิ่มความสม่ำเสมอของการกระจายความร้อนบนพื้นผิวและสามารถเพิ่มอัตราการให้ความร้อนบนพื้นผิวได้ ในงานวิจัยได้ใช้หัวฉีดที่มีห้องทรงกระบอกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายในเท่ากับ 20 mm สำหรับสร้างการไหลวน ซึ่งห้องทรงกระบอกมีทางเข้าในแนวสัมผัสจำนวน 2 ทาง โดยที่ทางเข้ามีหน้า ตัดสี่เหลี่ยมจัตุรัส D=5 mm สำหรับป้อนส่วนผสมระหว่างแก๊ส LPG กับอากาศไหลเข้าสู่ห้องทรงกระบอกเพื่อสร้างเปลวไฟหมุนควง สำหรับเงื่อนไขของตัวแปรที่ใช้ในการทดลองประกอบด้วย อัตราส่วนสมมูลระหว่าง LPG กับอากาศเท่ากับ • = 0.8, 1.0 และ 1.2 ที่เงื่อนไขค่าเรย์โนลด์นัมเบอร์ Re=2,000, 4,000 และ 6,000 และศึกษาผลของความสูงของห้องสร้างการไหลหมุนควงที่ H=2.2D, 3.4D, 4.6D, 5.8D และ 7.0D ที่มีผลต่อโครงสร้างของเจ็ทเปลวไฟ ในการทดลองได้ศึกษาโครงสร้างเปลวไฟหมุนควงแบบอิสระโดยใช้กล้องดิจิตอลบันทึกภาพและศึกษาการกระจายความร้อนของเจ็ทเปลวไฟอิสระโดยใช้เทคนิคถ่ายภาพ Schlieren อีกทั้งศึกษาการกระจายอุณหภูมิในเปลวไฟโดยใช้หัววัดเทอร์โมคัปเปิ้ลชนิด 8 สำหรับการถ่ายเทความร้อนบน พื้นผิวของเจ็ทเปลวไฟหมุนควงพุ่งชน ได้ศึกษาที่เงื่อนไขระยะจากปากทางออกถึงพื้นผิว L=4D, 6D, 8D และ 10D โดยแบ่งการทดลองเป็นสองส่วน คือ การวัดอัตราการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยบนพื้นผิวโดยวัดทางอ้อมจากน้ำหล่อเย็นพื้นผิว และการวัดฟลักซ์การถ่ายเทความร้อนเฉพาะจุดโดยใช้เซ็นเซอร์ฟลักซ์ความร้อน และได้ศึกษาการเพิ่มการถ่ายเทความร้อนบนพื้นผิวที่ใช้เจ็ทเปลวไฟหมุนควงเปรียบเทียบกับกรณีใช้เจ็ทเปลวไฟจากหัวฉีดแบบท่อที่เงื่อนไขค่าเรย์โนลด์นัมเบอร์ Re=2,000 จากผลการศึกษาโครงสร้างของเจ็ทเปลวไฟหมุนควงแบบอิสระสามารถแบ่งได้เป็น 3 โซนได้แก่ โซนใกล้ปากทางออก (Neck zone) โซนปฏิกิริยา (Reaction zone) และโซนหลังโซนปฏิกิริยา (Post combustion flame zone) ซึ่งโครงสร้างของเปลวไฟทั้ง 3 โซนมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างตาม ค่าเรย์โนลด์นัมเบอร์ที่เปลี่ยนไป อีกทั้งอัตราส่วนสมมูลที่เพิ่มขึ้นยังส่งผลต่อสีของโครงสร้างเปลวไฟ และความยาวของเปลวไฟอีกด้วย ทั้งนี้ผลของความสูงของห้องสร้างเปลวไฟหมุนควงตั้งแต่ H=2.20, 3.4D, 4.6D, 5.8D และ 7.0D พบว่าโครงสร้างของเปลวไฟหมุนควงมีการบานออกและลำเปลวไฟแยกออกเป็นสองส่วนทำมุมกับแกนเจ็ทเป็นมุมหมุนควงที่ 24.5°, 18.5°, 15.5°, 13.5° และ 10.15°ตามลำดับ การเพิ่มความสูงของห้องสร้างการไหลหมุนควงส่งผลให้ความเร็วในการหมุนควงเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดการแพร่กระจายของเปลวไฟใกล้บริเวณปากทางออกหัวฉีด และเกิดการผสมกันระหว่างลำเปลวไฟและอากาศที่อยู่รอบๆ และพบว่าความสูงของห้องที่ H-4.6D ให้การกระจายความร้อนได้ดีที่สุดซึ่งสอดคล้องกับโครงสร้างเปลวไฟหมุนควงแบบอิสระที่ถูกบันทึกผลโดยกล้องดิจิตอลและผลการวัดการกระจายอุณหภูมิ เมื่อเปลวไฟหมุนควงพุ่งชนพื้นผิวทำให้เปลวไฟบนพื้นผิวแผ่ขยายครอบคลุมเป็นวงกว้างและทำให้การถ่ายเทความร้อนบนพื้นผิวสม่ำเสมอ โดยเงื่อนไขที่ H=4.6D ที่ระยะพุ่งชน L=4D ให้อัตราการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยบนพื้นผิวสูงที่สุด และพบว่าที่อัตราส่วนสมมูลเท่ากับ ฿=1.2 ให้อัตราการ ถ่ายเทความร้อนสูงที่สุดและให้ประสิทธิภาพในการให้ความร้อนมากถึง 67% เนื่องจากการเหนี่ยวนำอากาศของเปลวไฟส่งผลให้การเผาไหม้ใกล้บริเวณพื้นผิวของแผ่นพุ่งชนสมบูรณ์ยิ่งขึ้น ในงานวิจัยนี้ได้เปรียบเทียบความสามารถในการถ่ายเทความร้อนบนพื้นผิวระหว่างใช้เจ็ทเปลวไฟหมุนควงและเจ็ทเปลวไฟจากหัวฉีดแบบท่อ พบว่า ที่เงื่อนไขระยะพุ่งชนที่น้อยกว่า L=6D เจ็ทเปลวไฟหมุนควงให้การถ่ายเทความร้อนที่สูงกว่าเจ็ทเปลวไฟจากท่อทั้งกรณีการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ย ทั้งพื้นผิวและเฉพาะจุดกึ่งกลางของหัวฉีด แต่เมื่อเพิ่มระยะพุ่งชนให้สูงขึ้นมากกว่า L=6D ด้วยโครงสร้างของเจ็ทเปลวไฟจากหัวฉีดแบบท่อให้ความร้อนได้ดีเฉพาะจุดศูนย์กลางที่เจ็ทพุ่งชน จึงส่งผลให้การถ่ายเทความร้อนเฉพาะจุดกึ่งกลางของหัวฉีดของเจ็ทเปลวไฟหมุนควงต่ำกว่าเจ็ทเปลวไฟจาก หัวฉีดแบบท่อให้การถ่ายเทความร้อนต่ำถึง 30% ในทุกอัตราส่วนสมมูลและที่ระยะพุ่งชนมากกว่า L=8D แต่ด้วยโครงสร้างของเจ็ทเปลวไฟหมุนควงบานออกเป็นวงกว้าง และไหลปะทะครอบคลุมบน พื้นผิวเป็นวงกว้าง จึงส่งผลให้การถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยบนพื้นผิวจากเปลวไฟหมุนควงสูงกว่ากรณีเปลวไฟจากหัวฉีดแบบท่อในทุกอัตราส่วนสมมูลและทุกระยะพุ่งชนมีค่าสูงถึง 40%
Description: วิทยานิพนธ์ (วศ.ม. (วิศวกรรมเครื่องกล))--มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์, 2563
URI: http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/17813
Appears in Collections:215 Thesis

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
447057.pdf9.48 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons