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An experimental and numerical investigation of the combustion and heat transfer characteristics of hydrogen-fueled catalytic microreactors

Sui, Ran und Prasianakis, Nikolas und Mantzaras, John und Mallya, Nithin und Theile, Jürgen und Lagrange, Damien und Friess, Martin (2016) An experimental and numerical investigation of the combustion and heat transfer characteristics of hydrogen-fueled catalytic microreactors. Chemical Engineering Science (141), Seiten 214-230. Elsevier. doi: 10.1016/j.ces.2015.10.034. ISSN 0009-2509.

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Kurzfassung

The combustion and heat transfer characteristics of a hydrogen-fueled microreactor are investigated experimentally and numerically. The microreactor comprises a 30×30×4 mm3 SiC-block equipped with six 1.5 mm diameter platinum channels. Combustion of fuel-lean H2/air mixtures at equivalence ratios φ=0.25−0.50 and inlet velocities 15–50 m/s is studied at coflow and counterflow configurations. Surface temperatures are measured with an infrared camera, while simulations are carried out with a 3D code that includes conjugate heat transfer, appropriate external heat losses, and detailed hetero-/homogeneous chemistry. Higher mass throughputs reduce the surface temperature spatial non-uniformities, while the onset of gaseous combustion lowers the catalyst surface temperatures and is thus detrimental for power generation applications. Four different channel configurations are tested for optimum temperature uniformity. Counterflow configurations are shown superior to the coflow configuration in attaining better surface temperature uniformities with standard deviations less than 19 K and maximum surface temperatures up to 1311 K. Comparisons of measurements and predictions are very favorable in terms of temperature probability density function (PDF) shapes and higher distribution moments. Counterflow configurations yield narrower PDFs slightly skewed to the low temperatures, while the coflow configuration yields mostly bimodal shapes. Radiation efficiencies increase with increasing inlet velocity and equivalence ratio. Application of the microreactor to power generation systems, in conjunction with thermoelectric devices, appears quite promising given the attained good spatial uniformity and the high values of surface temperatures.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/100838/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:An experimental and numerical investigation of the combustion and heat transfer characteristics of hydrogen-fueled catalytic microreactors
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Sui, RanPaul Scherrer Institute, Combustion Research, CH-5232 Villigen PSI, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Prasianakis, NikolasPaul Scherrer Institute, Combustion Research, CH-5232 Villigen PSI, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mantzaras, JohnPaul Scherrer Institute, Combustion Research, CH-5232 Villigen PSI, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Mallya, NithinPaul Scherrer Institute, Combustion Research, CH-5232 Villigen PSI, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Theile, JürgenPaul Scherrer Institute, Combustion Research, CH-5232 Villigen PSI, SwitzerlandNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lagrange, DamienMicrocertec, Pae de Lamirault-Collegien, 22 rue de Lamirault, 77090 Collegien, FranceNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Friess, MartinGerman Aerospace Center, Institute of Structures and Design, Pfaffenwaldring 38-40, 70569 Stuttgart, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2016
Erschienen in:Chemical Engineering Science
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1016/j.ces.2015.10.034
Seitenbereich:Seiten 214-230
Verlag:Elsevier
ISSN:0009-2509
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Hydrogen-fueled catalytic microreactor; Platinum catalyst; Three-dimensional modeling with conjugate heat transfer; Surface temperature probability density functions; Reactor optimization and radiation efficiency
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Rationelle Energieumwandlung und Nutzung (alt)
HGF - Programmthema:keine Zuordnung (alt)
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E VG - Verbrennungs- und Gasturbinentechnik
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Materialien für die Energietechnik (alt)
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Bauweisen und Strukturtechnologie > Keramische Verbundstrukturen
Hinterlegt von: Friess, Dr.rer.nat. Martin
Hinterlegt am:15 Jan 2016 10:48
Letzte Änderung:14 Jun 2023 15:06

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