Universität Stuttgart
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Item Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Methoden zur Analyse der Verdunstungseigenschaften von Brennstofftropfen(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Werner, Stefanie; Riedel, Uwe (Prof. Dr. rer. nat.)Die steigenden Emissionen des klimaschädlichen Treibhausgases CO2 durch die Verbrennung von fossilen, endlichen Energieträgern müssen möglichst schnell und nachhaltig reduziert werden. Ein vielversprechender Lösungsansatz zur Reduzierung der Schadstoffemissionen bei der Verbrennung liegt in dem Einsatz von alternativen und erneuerbaren Brennstoffen. Als Energieträger bieten sich auf Grund ihrer hohen Energiedichte vor allem flüssige Brennstoffe an. Diese werden typischerweise durch Druckzerstäubung in die Brennkammer eingebracht, verdunstet und dann mit dem Oxidationsmittel vermischt und verbrannt. Die Verdunstung der kleinen Brennstofftropfen des sogenannten Sprays ist von entscheidender Bedeutung für den Gesamtverbrennungsprozess in Verbrennungsmotoren und Gasturbinen. Im Allgemeinen bestimmt die Verdunstungsrate die Verbrennungsrate. Daher sind Modelle notwendig, die eine genaue Vorhersage der Brennstoffverdunstung ermöglichen. Zur Validierung dieser Modelle werden quantitative Messungen unter genau definierten Randbedingungen benötigt. Da die Prozesse in technischen Brennkammern sehr komplex sind, werden Experimente zur Tropfenverdunstung häufig mit linearen, monodispersen Tropfenketten durchgeführt, um die Kopplung zwischen den verschiedenen Effekten zu minimieren. Durch die geringe Größe der Tropfen (typischerweise wenige hundert Mikrometer oder weniger), erfordert die experimentelle Untersuchung eine hohe räumliche Auflösung. In dieser Arbeit wurden quantitative, laseroptische Messtechniken mit hoher räumlicher Auflösung zur experimentellen Untersuchung der Tropfenverdunstung an monodispersen Tropfenketten entwickelt. Mit den Messtechniken wurden Validierungsdaten für die Verdunstungseigenschaften von verschiedenen Brennstoffen bestimmt. Konzentrationsmessungen von verdunsteten Kohlenwasserstoffen wurden unter Verwendung von Infrarot-Laserabsorptionsspektroskopie und laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie (LIF) durchgeführt. Tropfenketten wurden mit einem Tropfenkettengenerator erzeugt, welcher vertikal in einem Strömungskanal installiert wurde. Die untersuchten Brennstoffe waren Cyclohexan, iso-Octan, n-Heptan, n-Pentan, 1-Butanol und Anisol. Der Strömungskanal wurde mit einer laminaren Luftströmung bei verschiedenen Temperaturen (313 K - 430 K) durchströmt. Da die untersuchten Tropfen einen Durchmesser in der Größenordnung von 120 bis 160 µm hatten und die Konzentrationsgradienten nahe der Tropfenoberfläche groß waren, war eine hohe räumliche Auflösung der Messtechniken erforderlich. Die Absorptionsmessungen wurden mit der Infrarotstrahlung eines HeNe-Lasers bei λ = 3,39 µm durchgeführt, um die CH-Streckschwingung der Kohlenwasserstoffe anzuregen. Die für die Quantifizierung der Brennstoffkonzentrationen benötigten Absorptionsquerschnitte wurden in einer beheizten Gaszelle für Temperaturen von 300 K - 773 K bestimmt. Die räumliche Auflösung im Strömungskanal betrug < 50 µm über eine Länge von 2 mm (Halbwertsbreite). Durch die Zylindersymmetrie und gute Stabilität der Tropfenketten konnten zeitliche Mittelungs- und Tomografieverfahren angewandt werden. Hierdurch konnten radiale Konzentrationsprofile an mehreren Positionen im Strömungskanal erhalten werden. Aus dem Anstieg der Dampfkonzentration an verschiedenen Messpositionen konnte die Verdunstungsrate bestimmt werden. Die Verdunstungsraten wurden in Abhängigkeit von der Mantelstromtemperatur (313 K - 430 K), der Tropfengeschwindigkeit (8 m/s - 23 m/s), der Tropfenerzeugungsfrequenz (12 kHz - 75 kHz) und dem Tropfenabstand (300 µm - 685 µm) gemessen. Im untersuchten Temperaturbereich steigt die Verdunstungsrate des Brennstoffs linear mit der Temperatur an. Die Reihenfolge der Brennstoffe in Bezug auf die Verdunstungsrate entspricht den Siedepunkten der einzelnen Brennstoffe. Da technische Brennstoffe häufig eine Mischung mehrerer Komponenten sind, ist die Untersuchung von Brennstoffgemischen von großem Interesse. Daher wurde ein Messverfahren entwickelt, um binäre Gemische zu untersuchen. Das Verfahren wurde verwendet, um eine Mischung aus Cyclohexan und Anisol zu untersuchen. Zwei Messtechniken - laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) und Infrarot Absorptionsspektroskopie - wurden verwendet, um beide Spezies zu messen. Um λ = 3,39 µm ist der Absorptionsquerschnitt von Cyclohexan um etwa den Faktor 8 größer als von Anisol. Im untersuchten Fall war die Konzentration aufgrund des höheren Dampfdrucks ebenfalls deutlich größer. Daher konnte das Infrarot-Absorptionssignal praktisch ausschließlich Cyclohexan zugeordnet werden. Anisol hat bei Anregung bei λ = 266 nm eine sehr gute Fluoreszenzquantenausbeute, während Cyclohexan keine Fluoreszenz zeigt. LIF ermöglicht daher die Quantifizierung von Anisol (oder anderen Aromaten) ohne Interferenz durch Kohlenwasserstoffe. Es wurde ein Messverfahren entwickelt, welches Halationseffekte vermeidet, die typischerweise in planaren LIF-Experimenten an Tropfenketten auftreten. Kalibrationsmessungen, die im gleichen Strömungskanal durchgeführt wurden, ermöglichten die Quantifizierung der verdunsteten Anisolkonzentrationen. Die räumliche Auflösung betrug 80 µm. Ähnlich wie bei den Einzelkomponentenmessungen wurden Verdunstungsraten bestimmt. Wie aufgrund des niedrigeren Dampfdrucks zu erwarten, ist die Verdunstungsrate von Anisol niedriger als die von Cyclohexan. Die Verdunstungsrate von Cyclohexan in der binären Mischung stimmt gut mit den Einzelkomponentenmessungen überein. Das entwickelte Messverfahren ist sehr vielversprechend für weitere Untersuchungen an Mehrkomponentenmischungen. In dieser Arbeit konnte damit erstmals mit hoher räumlicher Auflösung die Verdunstung von Brennstoffkomponenten mittels Absorptionsspektroskopie in der Nähe von Brennstofftropfen untersucht werden. Zusätzlich wurden in Kombination mit laserinduzierter Fluoreszenzspektroskopie Messungen an binären Mischungen durchgeführt. Damit steht ein wertvoller Datensatz zur Validierung von numerischen Simulationen zur Verfügung.Item Open Access Application of ion chromatography for the reliable quantification of ammonium in electrochemical ammonia synthesis experiments : a practical guide(2023) Bragulla, Sebastian C. H.; Lorenz, Julian; Harms, Corinna; Wark, Michael; Friedrich, K. AndreasAssessing novel electrocatalysts for the electrochemical ammonia synthesis (EAS) requires reliable quantitative trace analysis of electrochemically produced ammonia to infer activity and selectivity. This study concerns the development of an ion chromatography (IC) method for quantitative trace analysis of ammonium in 0.1 M sulfuric acid electrolyte, which is applied to EAS gas-diffusion electrode (GDE) experiments with commercial chromium nitride as electrocatalyst. The developed IC method is highly sensitive, versatile, and reliable, achieving a limit of quantification (LOQ) of 6 μg l-1 (6 ppbmol) ammonium. The impacts of the sample matrix, dilution, and neutralization, as well as contamination, on the quantitative analysis by IC are analyzed. Experimental constraints result in an effective LOQ including dilution of 60 μg l-1 for the determination of ammonium in 0.1 M sulfuric acid electrolyte, owing to necessary sample dilution. The practical guide presented herein is intended to be very relevant for the field of EAS as a guideline and applicable to a broad range of catalyst systems and ion chromatography devices.Item Open Access Entwicklung eines jet-stabilisierten Brennkammersystems für niederkalorische Brennstoffzellenabgase(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2021) Bücheler, Sandro; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Eine Technologie, welche die Ansprüche eines hocheffizienten und sauberen Kraft-Wärme-Kopplungssystems mit höchster Last- und Brennstoffflexibilität verspricht, ist das sogenannte SOFC/MGT-Hybridkraftwerk. Bei diesem Konzept wird eine Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) mit einer Mikrogasturbine (MGT) kombiniert, um die hochtemperierten und niederkalorischen SOFC-Abgase für die weitere Energieumwandlung in der nachgeschalteten Mikrogasturbine zu nutzen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen wesentlichen Beitrag zur Realisierung eines Hybridkraftwerks durch die Entwicklung eines geeigneten Brennkammersystems zu leisten, welches die Kopplung der beiden Teilsysteme SOFC und MGT ermöglicht. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf der Entwicklung eines kompakten Brennkammerprototypen, der sowohl den Anforderungen einer SOFC als auch denen einer Mikrogasturbine genügt. Zum Nachweis der Funktionalität und zur Ermittlung des Betriebsbereichs des Brennkammerprototypen unter Verwendung von SOFC-Abgasen werden atmosphärische Brennkammerversuche durchgeführt. Die Ergebnisse aus den OH* Chemolumineszenz- und Abgasemissionsmessungen werden im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt und diskutiert. Desweiteren werden zur Validierung der verwendeten CFD-Methoden für die Auslegung mit SOFC-Abgasen die Simulationsergebnisse mit den Messungen im atmosphärischen Prüfstand verglichen. Um für den Aufheizvorgang des Hybridkraftwerks Erdgas als Brennstoff einsetzen zu können, werden weitere Versuche unter Verwendung von Erdgas durchgeführt und vorgestellt. Abschließend werden die im Rahmen dieser Arbeit geleisteten Fortschritte in der Entwicklung eines Brennkammersystems für das Hybridkraftwerk zusammengefasst und diskutiert.Item Open Access Linking qualitative scenarios with quantitative energy models: knowledge integration in different methodological designs(2021) Prehofer, Sigrid; Kosow, Hannah; Naegler, Tobias; Pregger, Thomas; Vögele, Stefan; Weimer-Jehle, WolfgangLinking qualitative scenarios with quantitative models is a common approach to integrate assumptions on possible future societal contexts into modeling. But reflection on how and to what degree knowledge is effectively integrated during this endeavor does not generally take place. In this paper, we reflect on the performance of a specific hybrid scenario approach (qualitative Cross-Impact Balance analysis, CIB, linked with quantitative energy models) concerning knowledge integration through eleven different process steps. In order to guide the scenario community in applying this approach, we reflect on general methodological features as well as different design options. We conceptualize different forms of interdisciplinary knowledge integration (compiling, combining and synthesizing) and analyze how and to what degree knowledge about society and uncertainty are integrated into scenario process and products. In addition, we discuss trade-offs regarding design choices and forms of knowledge integration. On the basis of three case studies we identify two general designs of linking which build on each other (basic and extended design) and which differ in essence regarding the balance of power between the CIB and the energy modeling. Ex-post assessment of the form of interdisciplinary knowledge integration in each step revealed that specific method properties of CIB as well as the interaction with additional quantitative as well as specific qualitative methods foster distinct forms of knowledge integration. The specific roles assigned to CIB in the hybrid scenario process can also influence the form of knowledge integration. In this study, we use a joint process scheme linking qualitative context scenarios with energy modeling. By applying our conceptualization of different forms of knowledge integration we analyze the designs´ respective potential for and respective effects on knowledge integration. Consequently, our findings can give guidance to those who are designing their own hybrid scenario processes. As this is an explorative study, it would be useful to further test our hypotheses in different hybrid scenario designs. Finally, we note that at some points in the process a more precise differentiation of three forms of knowledge integration would have been useful and propose to further differentiate and detail them in future research.Item Open Access Temperature reduction as operando performance recovery procedure for polymer electrolyte membrane fuel cells(2024) Zhang, Qian; Schulze, Mathias; Gazdzicki, Pawel; Friedrich, Kaspar AndreasTo efficiently mitigate the reversible performance degradation of polymer electrolyte membrane fuel cells, it is crucial to thoroughly understand recovery effects. In this work, the effect of operando performance recovery by temperature reduction is evaluated. The results reveal that operando reduction in cell temperature from 80 °C to 45 °C yields a performance recovery of 60-70% in the current density range below 1 A cm-2 in a shorter time (1.5 h versus 10.5 h), as opposed to a known and more complex non-operando recovery procedure. Notably, the absolute recovered voltage is directly proportional to the total amount of liquid water produced during the temperature reduction. Thus, the recovery effect is likely attributed to a reorganization/rearrangement of the ionomer due to water condensation. Reduction in the charge transfer and mass transfer resistance is observed after the temperature reduction by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) measurement. During non-operando temperature reduction (i.e., open circuit voltage (OCV) hold during recovery instead of load cycling) an even higher recovery efficiency of >80% was achieved.Item Open Access Piloted simulation of the rotorcraft wind turbine wake interaction during hover and transit flights(2022) Štrbac, Alexander; Greiwe, Daniel Heinrich; Hoffmann, Frauke; Cormier, Marion; Lutz, ThorstenHelicopters are used for offshore wind farms for maintenance and support flights. The number of helicopter operations is increasing with the expansion of offshore wind energy, which stresses the point that the current German regulations have not yet been validated through scientific analysis. A collaborative research project between DLR, the Technical University of Munich, the University of Stuttgart and the University of Tübingen has been conducted to examine the sizes of the flight corridors on offshore wind farms and the lateral safety clearance for helicopter hoist operations at offshore wind turbines. This paper details the results of piloted helicopter simulations in a realistic offshore wind farm scenario. The far-wake of rotating wind turbines and the near-wake of non-rotating wind turbines have been simulated with high-fidelity computational fluid dynamics under realistic turbulent inflow conditions. The resulting flow fields have been processed by superposition during piloted simulations in the research flight simulator AVES to examine the flight corridors in transit flights and the lateral safety clearance in hovering flights. The results suggest a sufficient size for the flight corridor and sufficient lateral safety clearance at the offshore wind turbines in the considered scenarios.Item Open Access Experimentelle und numerische Untersuchung einer inversen Mikrogasturbine(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2020) Agelidou, Eleni; Aigner, Manfred (Prof. Dr.-Ing.)Item Open Access Effect of polytetrafluorethylene content in Fe‐N‐C‐based catalyst layers of gas diffusion electrodes for HT‐PEM fuel cell applications(2024) Zierdt, Tanja; Müller‐Hülstede, Julia; Schmies, Henrike; Schonvogel, Dana; Wagner, Peter; Friedrich, K. AndreasFe-N-C catalysts are a promising alternative to replace cost-intensive Pt-based catalysts in high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (HT-PEMFC) electrodes. However, the electrode fabrication needs to be adapted for this new class of catalysts. In this study, gas diffusion electrodes (GDEs) are fabricated using a commercial Fe-N-C catalyst and different polytetrafluorethylene (PTFE) binder ratios, varying from 10 to 50 wt % in the catalyst layer (CL). The oxygen reduction reaction performance is investigated under HT-PEMFC conditions (160 °C, conc. H3PO4 electrolyte) in a half-cell setup. The acidophilic character of the Fe-N-C catalyst leads to intrusion of phosphoric acid electrolyte into the CL. The strength of the acid penetration depends on the PTFE content, which is visible via the contact angles. The 10 wt % PTFE GDE is less capable to withdraw product water and electrolyte and results into the lowest half-cell performance. Higher PTFE contents counterbalance the acid drag into the CL and impede flooding. The power density at around 130 mA mgCatalyst−2 increases by 34 % from 10 to 50 wt % PTFE.Item Open Access PEM single cells under differential conditions : full factorial parameterization of the ORR and HOR kinetics and loss analysis(2022) Gerling, Christophe; Hanauer, Matthias; Berner, Ulrich; Friedrich, K. AndreasThe anode and cathode kinetics are parameterized based on differential cell measurements. Systematic parameter variations are evaluated to disentangle the dependencies of the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) signatures in H2/H2 mode. We introduce a new CO recovery protocol for both electrodes that enables to accurately characterize the hydrogen oxidation reaction (HOR) kinetics. Then, we demonstrate that a compact Tafel kinetics law captures the oxygen reduction reaction (ORR) kinetics for a full factorial grid of conditions, covering a wide range of relative humidities (rH), temperatures, oxygen partial pressures and current densities. This yields the characteristic activation energy and effective reaction order, and we reconcile models that make different assumptions regarding the rH dependency. Moreover, we analyze O2 transport contributions by steady-state and transient limiting current techniques and heliox measurements. Although the rising uncertainty of loss corrections at high current densities makes it impossible to unambiguously identify an intrinsic potential-dependent change of the Tafel slope, our data support that such effect needs not be considered for steady-state cathodic half-cell potentials above 0.8 V.Item Open Access Effects of high-power laser radiation on polymers for 3D printing micro-optics(2023) Klein, Sebastian; Ruchka, Pavel; Klumpp, Thomas; Bartels, Nils; Steinle, Tobias; Giessen, Harald