Experimental investigation of unconfined NG/H2 flames morphology in a double swirl burner

In this study, the effect of hydrogen addition in NG air flames have been examined by using a double swirl burner under unconfined flame conditions. Experimentations were performed for both non premixed and partially premixed condition with lean and stoichiometric global equivalence ratios. During the experimentation process, secondary split ratio was reduced by keeping premixing and global equivalence ratio constant until blowoff is achieved. Initially the experimentation was performed for NG air mixtures while later hydrogen enriched NG air mixture was studied with hydrogen substitution of 10% and 30% by volume while maintaining constant fuel volume flow rate therefore decreasing the nominal thermal power. The hydrogen and NG mixture was premixed before introducing into the burner. The flame dimensions for NG air flame and hydrogen enriched flame were analyzed and compared. The results show that the flame becomes taller and wider as global equivalence ratio increases while the split ratio mainly effects the liftoff height with no substantial influence on flame width. The flame becomes shorter as swirl increases due to enhanced fuel air mixing rate caused by the swirl. Premixing the fuel with a fraction of stoichiometric air was found to alter the shape of the flame and remover the rich burning nearing the nozzle. Hydrogen enriched flames show the same general trend with bursts of yellow flames at stoichiometric conditions due to rapid consumption of oxygen in the reaction zone. Meaning presence of hydrogen in flame prevents the oxidation of methane. Comparing the results with NG air flames reveal rise in flame length as hydrogen is added with width increasing for 10% hydrogen addition while decreasing for 30% case. Overall hydrogen addition has negligible effect on flame width.

In questo studio, l'effetto dell'aggiunta di idrogeno nelle fiamme dell'aria NG è stato esaminato utilizzando un doppio bruciatore a turbinio in condizioni di fiamma non confinata. Sono stati condotti esperimenti per condizioni sia non premiscelate che parzialmente premiscelate con rapporti di equivalenza globali magri e stechiometrici. Durante il processo di sperimentazione, il rapporto di divisione secondario è stato ridotto mantenendo costante la premiscelazione e il rapporto di equivalenza globale fino al raggiungimento dello scarico. Inizialmente la sperimentazione è stata eseguita per le miscele d'aria NG mentre successivamente è stata studiata la miscela aria NG arricchita con idrogeno con una sostituzione dell'idrogeno del 10% e del 30% in volume, mantenendo una portata volumetrica costante del combustibile, riducendo così la potenza termica nominale. La miscela di idrogeno e GN è stata premiscelata prima di essere introdotta nel bruciatore. Le dimensioni della fiamma per la fiamma ad aria NG e la fiamma arricchita con idrogeno sono state analizzate e confrontate. I risultati mostrano che la fiamma diventa più alta e più ampia all'aumentare del rapporto di equivalenza globale mentre il rapporto di divisione influenza principalmente l'altezza di sollevamento senza alcuna influenza sostanziale sulla larghezza della fiamma. La fiamma si accorcia all'aumentare del vortice a causa della maggiore velocità di miscelazione dell'aria del carburante causata dal vortice. Si è scoperto che il premiscelazione del carburante con una frazione di aria stechiometrica alterava la forma della fiamma e rimuoveva la ricca combustione che si avvicinava all'ugello. Le fiamme arricchite con idrogeno mostrano la stessa tendenza generale con esplosioni di fiamme gialle in condizioni stechiometriche dovute al rapido consumo di ossigeno nella zona di reazione. Significa che la presenza di idrogeno nella fiamma impedisce l'ossidazione del metano. Il confronto dei risultati con le fiamme ad aria NG rivela un aumento della lunghezza della fiamma quando l'idrogeno viene aggiunto con una larghezza crescente per l'aggiunta dell'idrogeno al 10% mentre diminuisce per il caso del 30%. L'aggiunta complessiva di idrogeno ha un effetto trascurabile sulla larghezza della fiamma.