Additive manufacturing of porous structures for combustion of methane-air mixtures

Abstract

This thesis focuses on the design, additive manufacturing, and experimental testing of ceramic Kelvin cell porous structures for the combustion of lean methane-air mixtures. The primary objective was to develop functional burner prototypes with defined geometries and determine their stability limits. The manufacturing phase utilized accessible Masked Stereolithography (MSLA) technology combined with the commercial ceramic composite Porcelite. The process was optimized by establishing precise printing parameters and modifying the thermal sintering cycle, achieving high geometric fidelity and structural integrity of the ceramic components. The experimental section focused on establishing stable operability maps for three lattice variants with different pore diameters (Dp = 1.7 mm, 2.3 mm, and 3.4 mm). The results demonstrate that pore diameter significantly influences flame stability. The structure with a 2.3 mm pore diameter was identified as the most effective, offering a 33.3% wider stability range compared to the smallest variant and sustaining stable combustion down to an equivalence ratio of φ = 0.5. This work confirms that accessible additive manufacturing provides an effective route for developing advanced porous burners and establishes a foundation for future research into ultra-lean combustion regimes.

Tato diplomová práce se zabývá návrhem, aditivní výrobou a experimentálním testováním keramických porézních struktur typu Kelvinova buňka pro spalování chudých metan-vzdušných směsí. Cílem práce bylo vytvořit funkční prototypy hořáků s definovanou geometrií a stanovit jejich stabilitní limity. Pro výrobu byla využita dostupná technologie Masked Stereolithography (MSLA) v kombinaci s komerčním keramickým kompozitem Porcelite. Výrobní proces byl optimalizován stanovením přesných parametrů tisku a úpravou tepelného cyklu slinování, čímž bylo dosaženo vysoké geometrické přesnosti a strukturální integrity keramiky. Experimentální část práce se zaměřila na stanovení map stabilní operability pro tři varianty struktur s různými průměry pórů (Dp = 1,7 mm, 2,3 mm a 3,4 mm). Výsledky měření prokázaly, že průměr pórů má zásadní vliv na stabilitu plamene. Jako nejefektivnější byla identifikována struktura s průměrem pórů 2,3 mm, která vykazovala o 33,3 % širší oblast stability oproti nejmenší variantě a umožnila stabilní spalování až do ekvivalentního poměru φ = 0,5. Práce potvrzuje, že využití dostupných metod aditivní výroby představuje efektivní cestu pro vývoj pokročilých porézních hořáků a otevírá prostor pro další výzkum v oblasti ultra-chudého spalování.