Numerical and Experimental Investigations of the Flow Field of Ionised Gases with Applications to High-Performance Electronics and Oil Shale Gasification

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2013-03-19
Issue Year
2013
Authors
Al-Amayreh, Malik
Editor
Abstract

This thesis investigates two new applications of flow field ionised gases. The first application involves coupled electromagnetic and aerothermodynamic phenomena in an electrical contactor chamber. I studied a new blowout technique to control the speed of the flow. With this new blowout technique, the ionised gases can be generated between the electrodes to feed the coils with current. I observed that the recovery time for the case of higher current is less than that of the following low current at the same voltage. This is contrary to expected behavior. The speed of the ionised gases increases with increasing current. Hence, both the burning time and thermal stress of the hot ionised gases on the materials of the electrodes decrease. I discuss a simplified equivalent circuit of the contactor to explain the influence of the circuit components on the arc voltage and current; and observe that the inductance of the coils enhances the arc current as the arc current commutates in the coils. Moreover, the energy balance shows that about 11% of the total energy dissipates in this blowout technique. The movement of arc plasma is analysed experientially by using two optical methods, namely an optical imaging method and a high-speed camera. I developed the optical imaging software to generate dynamic images of the high-speed ionised gases. This allows me to compare the results of this method with those obtained by using a high-speed camera. In addition to these experimental studies, I researched the flow field of the ionised gas, applying the finite volume method to develop a transient numerical model of the ionised gas flow field inside the electrode runner for the case of a DC current. For the purpose of this thesis the properties of the air plasma are considered to be a function of temperature and pressure. The numerical calculations show that the arc plasma accelerates during the arc plasma duration. The dynamic pressure and magnetic pressure values are calculated for the arc plasma pumping in the contactor chamber. The magnetic pressure is higher than the dynamic pressure during the recovery time. The application of a dimensionless analysis reveals the insignificant influences of natural convection, flow compressibility and turbulence on the arc plasma pumping in the range of 100-750 A. Finally, I investigate the thermal boundary layer around the arc plasma shape by calculating the values of the Prandtl numbers in the midplane of the electrode runner. These results show that the cross-section area of the arc plasma changes with time due to the modification of the arc plasma current and speed. In the second application I consider the impact of the ionised gas flow field on the gasification of oil shale. Samples of oil shale were gasified using a low-temperature plasma at atmospheric pressure in the absence of water. A plasma jet was generated at temperatures between 200–550 C, defining a pulsating frequency of 20 kHz and an energy consumption of less than 300 W. I determined the composition of the treated oil shale by using thermo-gravimetric analysis and found that raw samples contain on average 1.5 wt% of moisture, 17.5 wt% of volatiles, 24 wt% of fixed carbon and 57 wt% of ash. The results show the influence of the major process parameters such as gas flow rate (7–10 l/min), mean diameter of the oil shale particles (4.5–10 mm) and the distance between the plasma nozzle and the oil shale surface (5–15 mm) on the process efficiency by the amount of gasified matter. The high-energy electrons within the plasma can increase the catalytic reactions of organic matter within the oil shale samples. Analyses of the carbon composition show that the total carbon content (TCC) of the oil shale can be decreased from 21 to 7.7 and 10.1 wt% after sample processing using a low-temperature air plasma and nitrogen plasma, respectively. The maximum level of gasification is 30 wt% or 70% of oil shale volatiles in the case of the air plasma and 20 wt% or 47% of oil shale volatiles in the case of the nitrogen plasma. These values are an order of magnitude greater than those obtained in similar experiments using the same conditions, but with non-ionised, preheated gases. Gas chromatography analysis shows that methane, hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide as well as higher carbon gases such as ethylene, ethane and propane are the results of the gasification process. Furthermore, very small percentages of butane and water are noted only at the start of the plasma gasification process. The percentage of carbon dioxide is less in the case of nitrogen plasma gasification. In addition, this gasification process requires a lot of gases such as air and nitrogen, which means additional expense will have to be added to separate these gases from the flammable gases.

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Anwendungen von ionisierten Gasströmungen. Der erste Teil dieser Dissertation untersucht das gekoppelte elektromagnetische und aerothermodynamische Phänomen in einem elektrischen Schütz, wobei ein neues Ausblaseverfahren für die Regulierung der Geschwindigkeit und des Volumenstroms der Strömung und auch für die Herabsetzung der Brenndauer des Elektrodenmaterials eingesetzt wird. Dabei versorgt das zwischen den Elektroden erzeugte Lichtbogenplasma die zwei Spulen mit elektrischem Strom. Es wurde beobachtet, dass sich bei gleichbleibender Spannung die Schaltzeit bei zunehmender Stromstärke verringert. Dies widerspricht der Erwartungshaltung. Die Geschwindigkeit des ionisierten Gases ist proportional zum Magnetfeld der Spulen, d.h. fließt eine größere Strommenge durch die Spulen, so nimmt auch die Gas Geschwindigkeit zu. Infolgedessen nehmen die Brenndauer des ionisierten Gases und der thermische Druck des heißen ionisierten Druck auf dem Elektrodenmaterial ab. Ein vereinfachtes Ersatzschaltbild wurde untersucht, um die Einwirkung der Schaltkreiskomponenten auf die Spannung und Stromstärke des Plasmabogens aufzuzeigen. Die Aufstellung der Energiebilanz ergibt eine Dissipationsenergie von 11% der Gesamtenergie. Die Untersuchung der Lichtbogenbewegung kann mit zwei verschiedenen Methoden, zum einen mit der optischen Bildgebung und zum anderen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, durchgeführt werden. Die Software für die optische Bildgebung kann 50000 Bilder pro Sekunde erzeugen. Die Ergebnisse beider Verfahren wurden miteinander verglichen und für die Entwicklung eines transienten numerischen Modells unter der Annahme eines Gleichstroms benutzt. Die Eigenschaften des Luftplasmas werden in diesem Model als Funktion der Temperatur und des Drucks angenommen. Die Ergebnisse der Computersimulation zeigen, dass der Lichtbogen während der Schaltzeit beschleunigt wird. Auf Grundlage von Messungen des dynamischen und magnetischen Drucks während der Schaltzeit wurde die Anregung der Plasmabögen innerhalb des Elektrodenkanals erörtert. Die dimensionslose Analyse enthüllt, dass natürliche Konvektion, Kompressibilität und Turbulenz in einem Bereich von 100-750A einen schwachen Einfluss auf die Anregung der Plasmabögen haben. Die im Plasma enthaltenen hochenergetischen Elektronen rufen auf der Oberfläche des aus festem Kohlenstoff bestehenden Ölschiefers vermehrt katalytische Reaktionen hervor. Die Auswirkung des ionisierten Gases auf die Vergasung des Ölschiefers wurde in der zweiten Anwendung untersucht. Dabei wurden Ölschiefer-Proben mithilfe von Plasma niederer Temperatur bei Atmosphärendruck ohne Vorhandensein von Wasser vergast. Der Plasmastrahl wurde in einem Temperaturbereich von 200–500°C erzeugt, wobei eine gepulste Frequenz f = 20 kHz angesetzt und der Energieverbrauch weniger als 300 W betrug. Die Zusammensetzung des behandelten Ölschiefers wurde mit einer thermogravimetrischen Analyse untersucht und sie ergab dass Rohproben im Durchschnitt 1,5% Feuchtigkeit, 17,5% flüchtige Bestandteile, 24% festen Kohlenstoff und 57% Asche enthalten. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen, dass wesentliche Prozessparameter wie Gasvolumenstrom (7–10 l/min), der Durchmesser der Ölschieferpartikel (4,5–10 mm) und Abstand zwischen der Plasmadüse und der Ölschieferoberfläche (5–15 mm) einen großen Einfluss auf die Effizienz des Prozesses haben. Es wurden abwechselnd Luft und Stickstoffplasma eingesetzt, um den Einfluss der Gasbeschaffenheit auf den Prozess zu untersuchen. Der Gesamtgehalt an Kohlenstoff nimmt den Beobachtungen zufolge von 21% auf 7% bzw. 10,1% bei Einsatz von Luft- bzw. Stickstoffplasma niedriger Temperatur. Außerdem ergaben die Untersuchungen eine maximale Vergasungseffizienz von 30% oder 70% der Ölschiefer-Feuchtigkeit bei der Verwendung von Luftplasma und 20% oder 47% der Ölschiefer-Feuchtigkeit wenn Stickstoffplasma eingesetzt wurde. Die gaschromatographische Analyse zeigt, dass Methan, Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxid und -dioxid in der vergasten Materie enthalten sind. Des Weiteren finden sich Substanzen mit höherem Kohlenstoffgehalt wie Ethylen, Ethan und Propan. Zu Beginn des Plasmavergasungsverfahrens konnten außerdem geringe Prozentanteile an Butan und Wasser festgestellt werden. Der Anteil an Kohlenstoffdioxid ist geringer bei einem entsprechenden Prozess mit Stickstoff.

DOI
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