Hauptziel bei der Entwicklung verbesserter Verbrennungstechnologien ist neben der Steigerung der Effizienz und Verringerung von Schadstoffemissionen auch der wirtschaftliche Einsatz alternativer Brennstoffe in technischen Verbrennungsvorgängen. Ein wesentlicher Aspekt hierbei stellt die Berechenbarkeit bzw. Voraussagefähigkeit und damit die Konzipierung des Systemverhaltens dar. Deshalb gehören die Bereitstellung gesicherter und validierter chemischer Modellbrennstoff-Reaktionsmechanismen zu den zentralen Aufgaben der Kinetik mit dem Ziel, eine verbesserte rechnergestützte Auslegung und Optimierung technischer Verbrennungsprozesse mit konventionellen und alternativen Brennstoffen zu erreichen.
Validierung durch Messung der Zündverzugszeiten
Für diesen Validierungsprozeß stehen zur Messung der Zündverzugszeiten bei technisch relevanten Bedingungen drei Stoßrohre zur Verfügung, siehe Abb. 1 - 3. Die Anlagen erlauben die Messung bei Drücken bis zu 200 bar. Durch Anpassung des Treibergases können prinzipiell Zündverzugszeiten bis zu 25 ms bestimmt werden. Zwei Stoßrohre sind temperierbar, so dass auch schwer flüchtige Brennstoffe untersucht werden können. Die Zündverzugszeiten werden durch OH*- und CH*-Chemilumineszenzmessungen bestimmt. Simultan werden immer auch die Druckprofile und, wenn zugänglich, auch Reaktionsfortschrittsvariablen oder der Wandwärmetransfer gemessen.
Eine weitere Validierung der Mechanismen erfolgt durch Messung stabiler Spezies in einem „Single-Pulse“-Stoßrohr. Nach einer definierten Reaktionszeit wird eine Probe gezogen und die Produktverteilung durch Gaschromatographie oder Hochdruckflüssigkeitschromatographie bestimmt. Die Rußpartikelgrößenverteilung kann durch einen Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) bestimmt werden.
Validierung durch Messung der laminaren Flammengeschwindigkeit
Die laminare Flammengeschwindigkeit sl ist die Geschwindigkeit, mit der sich eine ebene Flamme senkrecht zu ihrer Oberfläche in einem ruhenden Gemisch aus Luft und Brennstoff ausbreitet. Sie dient zur Validierung von Reaktionsmechanismen und ist von fundamentaler Bedeutung für die Modellierung von technischen Verbrennungsprozessen, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Flammen und die daraus resultierende Energiefreisetzung zu berechnen.
Eine Möglichkeit, die laminaren Flammengeschwindigkeit zu bestimmen ist die Winkelmethode (siehe Abb. 4). In den Hochdruckbrennern werden hierzu kegelförmigen Vormischflammen auf auswechselbaren Düsen stabilisiert. Der Einsatz geeignet ausgebildeter Düsen verschiedener Durchmesser ermöglicht es, die Abhängigkeit der Flammengeschwindigkeit vom Brennstoff/Luft-Verhältnis bei hohen Drücken und Vorheiztemperaturen zu untersuchen. Es kommen sowohl gasförmige Brennstoffe (z.B. Erdgas, biogene Brenngase, Brennstoffgemische mit hohem Wasserstoffgehalt) als auch vorverdampfte Flüssigbrennstoffe zum Einsatz. Die erreichbaren Drücke bei gegebener Vorheiztemperatur hängen von der Stabilisierbarkeit der Flamme ab, wie z.B. in Abb. 5 bei einem Druck von 20 bar.
sl=vu·sin(α)