Validierung von Reaktionsmechanismen für gasförmige und flüssige Brennstoffe bei technisch relevanten Drücken durch Messung der Zündverzugszeit, der laminaren Flammengeschwindigkeit und der Produktverteilung stabiler Spezies



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 beheizbar, 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.

 Abb. 1: Temperierbares „Single-Puls“-Stoßwellenrohr zur Messung von Zündverzugszeiten bis 40 bar und zur Bestimmung von Produktverteilungen
zum Bild Abb. 1: Temperierbares „Single-Puls“-Stoßwellenrohr zur Messung von Zündverzugszeiten bis 40 bar und zur Bestimmung von Produktverteilungen
 Abb. 2: Temperierbares Hochdruckstoßwellenrohr für Messungen bis 200 bar
zum Bild Abb. 2: Temperierbares Hochdruckstoßwellenrohr für Messungen bis 200 bar
 Abb. 3: Stoßwellenrohr zur Messung von elementarkinetischen Daten und von Zündverzugszeiten bei Drücken bis 16 bar in verdünnten Mischungen
zum Bild Abb. 3: Stoßwellenrohr zur Messung von elementarkinetischen Daten und von Zündverzugszeiten bei Drücken bis 16 bar in verdünnten Mischungen
 Schematische Darstellung der Validierungprozedur mit Hilfe der MPFR (Multiple Plug Flow Reactor) -CHEMKIN II Erweiterung für SENKIN
zum Bild Schematische Darstellung der Validierungprozedur mit Hilfe der MPFR (Multiple Plug Flow Reactor) -CHEMKIN II Erweiterung für SENKIN

Die Validierung von Reaktionsmechanismen erfolgt durch Vergleich gemessener Zündverzugszeiten mit numerischen Vorhersagen mit diesen Mechanismen. MPFR (Multiple Plug Flow Reactor)-CHEMKIN II ist ein selbstentwickeltes Programm auf der Basis von SENKIN aus dem CHEMKIN II Programmpaket, das Druck- und Temperaturänderungen durch gasdynamische und reaktionskinetische Effekte berücksichtigt.

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. Diese Grösse dient ebenfalls 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 Hochdruckbrennern (Abb. 5) werden hierzu kegelförmige Vormischflammen auf 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.

 Methode zur Bestimmung der laminaren Flammengeschwindigkeit s<sub>l</sub> an Konusflammen  Beispiel einer stöchiometrischen laminaren vorgemischten Konusflamme mit Erdgasreferenzbrennstoff bei 200°C Vorheiztemperatur und einem Druck von 20 bar

sl=vu·sin(α)

vu Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemischs
α Flammenwinkel
Abb. 4: Methode zur Bestimmung der laminaren Flammengeschwindigkeit sl an Konusflammen Abb. 5: Beispiel einer stöchiometrischen laminaren vorgemischten Konusflamme mit Erdgasreferenzbrennstoff bei 200°C Vorheiztemperatur und einem Druck von 20 bar

 


URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/vt/desktopdefault.aspx/tabid-5097/6092_read-14946/