Design of porous medium burners by means of additive manufacturing

Samoilenko, Mykhailo (2018). Design of porous medium burners by means of additive manufacturing. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The stochastic morphology of ceramic foams and discrepancies between specimens of the same type complicate the creation of numerical models during the design and optimization of porous medium burners. A favourable solution, from the modelling point of view, is the application of an ordered diamond lattice with definite geometry produced by means of additive manufacturing, which potentially allows achieving higher efficiencies and lower pollutant emissions. This document, describes procedures in the selection of diamond lattices with proper parameters and the comparison of the porous medium burner performances with different materials and geometries.

The first section explains our methodology for geometrical analysis of ceramic foams and further selection of equivalent diamond lattices. Three acquired types of ceramic SiSiC foams (10 PPI, 30 PPI, and 60 PPI) were evaluated from image cross-sections and digital replicas that were obtained by means of X-ray computed tomography. Upon investigating, we found that pore sizes provided by a manufacturer were underestimated and discrepancies between them reached up to 100% for 60 PPI specimens. Combination of adapted cell size analysis according to ASTM D3576-15 standard and a developed tetrakaidecahedron model was favoured among other methods of pore size determination. After analysis of ceramic foams, an approach of selecting equivalent diamond lattices in terms of porosity and absolute permeability was proposed. As a result, three specimens were printed from CoCr alloy: 10 PPI and 60 PPI foams, as well as an equivalent 10 PPI diamond lattice. A test bench of the two-section porous medium burner was designed and assembled, which allowed the temperature, pollutant emissions and pressure drop measurements.

The second section describes the experimental procedures and results from six different setups that compared the foam and diamond lattice geometries, and compared ceramic and metal as materials. In all setups, pollutant emissions were low and at the detection limit of the equipment, which agrees with theory and previous research. The application of CoCr material was determined as advantageous in the upstream section, ensuring higher flame stability and structural strength. A diamond lattice was found to be a good candidate for replacement of the foam geometry by providing both the predictability and higher structural stiffness. We recommend that further research should be done on using diamond lattice geometries with CoCr alloy in the upstream section, and SiSiC ceramic foam in the downstream section for the broad range of lean combustion regimes.

Titre traduit

Conception et optimisation de brûleurs poreux par fabrication additive

Résumé traduit

La morphologie stochastique des mousses céramiques et les discordances entre spécimens du même type compliquent la création de modèles numériques lors de la conception et l'optimisation de brûleurs poreux. Une solution favorable, du point de vue de la modélisation, est l'application d’une structure cellulaire ordonnée dans une géométrie prédéfinie ultimement produite par fabrication additive. Cette solution devrait permettre d'atteindre des rendements plus élevés et des émissions de polluants plus faibles. Dans ce document, composé de deux sections principales, les procédures permettant la sélection des réseaux de diamant avec des paramètres appropriés ainsi que la comparaison des performances de brûleurs poreux avec différents matériaux et géométries sont présentées.

La première section décrit la méthodologie utilisée pour l'analyse géométrique des mousses céramiques et la sélection des réseaux de diamants équivalents. Trois types de mousses en céramique SiSiC (10 PPI, 30 PPI et 60 PPI) ont été évaluées à partir de coupes transversales et de volumes 3D obtenus par tomographie aux rayons X. La combinaison d'une analyse de taille de cellule adaptée de la norme ASTM D3576-15 et d'un modèle de tétrakaidécaèdre préalablement développé a été choisie parmi d'autres méthodes pour déterminer la taille des pores. Après l’analyse des mousses céramiques, une approche de sélection des réseaux de diamant équivalents en termes de porosité et de perméabilité absolue a été proposée. En conséquence, trois échantillons ont été imprimés à partir d’un alliage de CoCr: une mousse de 10 PPI et une mousse de 60 PPI, ainsi qu'un treillis diamant équivalent à une mousse de 10 PPI. Un banc d'essai du brûleur poreux à deux sections a ensuite été conçu et assemblé, ce qui a permis de mesurer la température, les émissions de polluants et les chutes de pression des différents bruleurs.

La deuxième section décrit les procédures expérimentales et les résultats de six configurations de test qui ont permis d’étudier l’influence de la géométrie et du matériau sur les propriétés effectives des bruleurs. Dans toutes les configurations, les émissions de polluants étaient faibles et à la limite de détection de l'équipement, ce qui correspond à la théorie et aux recherches antérieures. L'application du CoCr a été jugée avantageuse dans la section amont, assurant une stabilité de la flamme et une résistance structurelle plus élevée. Le réseau de diamants s'est avéré être un bon candidat pour le remplacement de la géométrie des mousses en fournissant à la fois la prévisibilité et une rigidité structurelle plus élevée. Nous recommandons que d'autres recherches soient effectuées quant à l'utilisation de la géométrie en treillis de diamants avec l’alliage CoCr dans la section amont.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 113-121).
Mots-clés libres:	brûleur en milieux poreux, fabrication additive, treillis diamanté, tomographie informatisée, taille des pores
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Seers, Patrice
Codirecteur:	Codirecteur Brailovski, Vladimir Terriault, Patrick
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	05 févr. 2019 18:37
Dernière modification:	05 févr. 2019 18:37
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2195

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