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 Validierung von Reaktionsmechanismen für biogene Kraftstoffkomponenten(Stuttgart : Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Verbrennungstechnik, 2016) Schuler, Dominik Friedemann; Zabel, Friedhelm (Prof. Dr.)In der vorliegenden Arbeit werden die Verbindungen Butanol, 2-Butanol, iso-Butanol und 2,5-Dimethylfuran bei Bedingungen, die für die technische Verbrennung relevant sind, untersucht (p=8.20 bar, T=1190-1520 K). Diese Verbindungen sind mögliche Komponenten zukünftiger Kraftstoffe. Die Experimente werden in Abwesenheit von Sauerstoff (Pyrolyse) in einem speziell für diese Untersuchungen konfigurierten Single-Pulse-Stoßrohr hinter reflektierten Stoßwellen durchgeführt. Die Experimente werden mit der Simulationsumgebung Chemkin II und kinetischen Reaktionsmodellen aus der Literatur simuliert, um die Produktverteilungen aus Experiment und Simulation gegenüber zu stellen. Zur besseren Charakterisierung der Unterschiede zwischen den Modellen werden Reaktionsfluss- und Störungsanalysen durchgeführt. Mit Hilfe dieser Daten kann Verbesserungspotential in den Mechanismen identifiziert werden und Ansätze für eine Optimierung können aufgezeigt werden. Bei der Pyrolyse der Butanolisomere wurden die Hauptprodukte Ethen, Ethin, Ethan, Methan und Propen quantifiziert. In geringeren Konzentrationen wurden die Produkte Ethanal, 1,3-Butadien, 1,3-Butadiin, 2-Buten, iso-Buten, Propen, Propin und Allen nachgewiesen. Bei den Simulationen zeigten sich einerseits teils erstaunlich gute Vorhersagen der experimentellen Daten, andererseits bei einigen Produktspezies auch eine große Diskrepanz der Vorhersagen der Mechanismen untereinander sowie zum Experiment. Bei der Pyrolyse von 2,5-Dimethylfuran wurden die Hauptprodukte Kohlenstoffmonoxid, Ethan, Ethen, Ethin und 1,3-Butenin nachgewiesen. Weitere quantifizierte Produkte sind Allen, Benzol, 1,3-Butadien, 1,3-Butadiin, 2-Buten, Butin, Cyclopentadien, 2-Methylfuran, Propen, Propin und Toluol. Die Mechanismen zeigen in den Hauptprodukten eine gute Übereinstimmung untereinander und mit den experimentell gewonnenen Daten. Bei den Nebenprodukten kommt es jedoch auf Grund der Unterschiede in den Mechanismen zu unterschiedlichen Vorhersagen. Neben den Untersuchungen im Single-Pulse-Stoßrohr wurde in einem weiteren Stoßrohr hinter reflektierten Stoßwellen zeitaufgelöst die Bildung von Kohlenstoffmonoxid bei der Pyrolyse von 2,5-Dimethylfuran gemessen. Kohlenstoffmonoxid wurde dabei mittels Absorptionsmessungen bei einer Wellenlänge von 151,0 nm detektiert. Das ebenfalls auf dieser Wellenlänge absorbierende Edukt 2,5-Dimethylfuran und das Produkt Ethin wurden bei der Vorhersage der Absorption berücksichtigt. Im Rahmen der Messgenauigkeit decken sich die gefundenen Absorptionen mit den von den Modellen vorhergesagten Werten, so dass die Messungen die Reaktionsmodelle unterstützen.Item Open Access Kinetische Untersuchungen zur Hochtemperaturpyrolyse und -oxidation von Cyclopentadien und Cyclopentadienyl mit Hilfe der Stosswellentechnik(1999) Roy, Karin; Just, Thomas (Prof. Dr.)In der vorliegenden Arbeit wurde die Pyrolyse und die Oxidation von Cyclopentadien sowie die Pyrolyse des Cyclopentadienyl-Radikals bei hohen Temperaturen untersucht. Diese C5-Spezies sind Zwischenprodukte beim Abbau von Aromaten und bei der Bildung von Rußpartikeln. Im Rahmen der Arbeit wurden Stoßwellenexperimente bei Temperaturen von 1100 K bis 1600 K und Drücken von 0.7 bar bis 6 bar durchgeführt. Wasserstoff-, Iod- und Sauerstoffatome sowie Kohlenmonoxidmoleküle wurden mit der UV-Absorptionsspektroskopie detektiert. Die Reaktionen wurden in Gasmischungen, verdünnt mit Argon, durchgeführt und über einen Zeitraum von ca. 1 ms beobachtet. Mit Hilfe von Sensitivitätsanalysen konnten komplexe Reaktionsmechanismen auf wenige wichtige Reaktionspfade reduziert und Geschwindigkeitskoeffizienten der Elementarreaktionen bestimmt werden. Der Geschwindigkeitskoeffizient für den Zerfall von Cyclopentadien in ein Cyclopentadienyl-Radikal und ein Wasserstoffatom wurde bestimmt. Mittels der Fall-off-Analyse wurde der Hochdruckgeschwindigkeitskoeffizient für diese Reaktion berechnet und die Bildungsenthalpie des Cyclopentadienyl-Radikals abgeleitet. Aus der Reaktion von Cyclopentadien mit Wasserstoffatomen wurden die Geschwindigkeitskoeffizienten für zwei parallel verlaufende Reaktionskanäle ermittelt. Für die Untersuchung des Zerfalls des Cyclopentadienyl-Radikals sowie dessen Reaktion mit Wasserstoffatomen wurde Iodcyclopentadien als Radikalvorläufermolekül eingesetzt. Es wird erläutert, welche Rolle die Cyclopentadienylrekombination bei der Bildung von Naphthalin spielt. Die Oxidation von Cyclopentadien wurde mit molekularem Sauerstoff mit variierenden Sauerstoffanteilen untersucht. Zur Modellierung der gemessenen Absorptionsprofile von H- und O-Atomen und CO-Molekülen bei der Pyrolyse und Oxidation des C5-Systems wurde ein Reaktionsmechanismus entwickelt.Item Open Access Entwicklung laserspektroskopischer Verfahren für den quantitativen Nachweis von Stickoxid und die Bestimmung der Temperatur in Hochdruckflammen(2004) Dillmann, Martin Th.; Just, Thomas (Prof. Dr. rer. nat.)Die vorliegende Arbeit beruht auf experimentellen Untersuchungen zur kohärenten Beugung an optisch induzierten Gitterstrukturen für den laserspektroskopischen Einsatz zur Messung der Minoritätsspezies Stickoxid (NO) in technischen Verbrennungssystemen. Das kohärente Verfahren der Laser-induzierten Gitterspektroskopie (LIGS: laser-induced grating spectroscopy) wurde für den Einsatz zur lokalen Messung der Konzentration von NO und die Bestimmung von lokalen Temperaturen in Flammen bei Normal- und Hochdruck geprüft. Dazu wurde die Beugungsstrahlung erster Ordnung an laserinduzierten Gitterstrukturen im ultravioletten Spektralbereich der NO-A-X(0-0)-Bande untersucht. Bei der physikalischen Beschreibung der laser-induzierten Gitter werden zwei Phasen, Besetzungsgitter und thermische Gitter, unterschieden. Im Experiment wurde vorwiegend die entartete Vierwellenmischung (DFWM: degenerate four-wave mixing), ein monochromatisch kohärenter Vierphotonenprozess angewendet. Die Versuchsanordnung wurde in den meisten Fällen so aufgebaut, dass das detektierte Signal allein durch die Populationsgitterbeiträge bestimmt wurde. Die experimentell erhaltenen Spektren wurden mit berechneten Spektren verglichen. Mittels eines am Institut entwickelten Rechenverfahrens wurden relevante Prozessparameter wie die Temperatur T wurden so lange variiert, bis eine möglichst optimale Übereinstimmung zwischen experimentellem und berechnetem Spektrum erhalten wurde. Zur Kontrolle wurden simultan in der Laborflamme laserinduzierte Fluoreszenzspektren von NO (LIF: Laser-induced fluorescence) gemessen und mit einem etablierten computergestützten Auswerteverfahren analysiert. Die Interpretation eines DFWM-Spektrums wird erschwert durch die Abhängigkeit des erhaltenen Messwertes T von der eingestrahlten Laserintensität. Für eine gute Qualität der Spektren ist die Bereitstellung von Laserintensitäten, die zur Sättigung der angeregten NO-Niveaus im Anregungsgitter führen, eine wesentliche Voraussetzung. Die präzise quantitative Auswertung der gemessenen Spektren erfordert daher zusätzlich eine möglichst genaue Kenntnis des zugrundeliegenden Sättigungsgrades der angeregten Rotationsvibrations-Zustände der NO-Moleküle im Populationsgitter. Mit einem speziell entwickeltem Rechenverfahren wird der dem gemessenen Spektrum zugrundeliegende Sättigungsgrad mit einer Genauigkeit von etwa 10% ermittelt. Erstmals wurden unter Berücksichtigung des Sättigungsgrades im Populationsgitter Temperaturen im Abgas von Flammen anhand von NO-DFWM-Spektren bestimmt. Zudem wurden auch Untersuchungen zur Nachweisempfindlichkeit der entarteten Vierwellenmischung für Stickoxid sowie Messungen zur Bestimmung der NO-Konzentration in der Abgaszone der Flammen durchgeführt. Bei der Messanordnung, die den Einfluss thermischer Gitter unterbindet, zeichnet sich LIF bei Konzentrationsbestimmungen durch eine um mehr als eine Größenordnung höhere NO-Sensitivität aus. Sowohl für die Thermometrie als auch für die Konzentrationsbestimmung von NO erweist sich die laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie als überwiegend vorteilhaft für den Einsatz in Hochdruckflammen gegenüber der auf Populationsgitter beruhenden DFWM-Technik. Dies ist im wesentlichen auf den rapiden Abfall des Besetzungsgittersignals bei steigendem Druck zurückzuführen. Prinzipiell sind kohärente Verfahren wie LIGS (DFWM) gegenüber LIF für die Anwendung in technischen Systemen überlegen, weil der erzeugte Signalstrahl ebenfalls Laserstrahl-Charakter hat und damit die erforderlichen Fenster für den optischen Zugang zum Brennraum klein bleiben können. Die Druckabhängigkeit des LIGS-Signals ist bei thermischen Gittern deutlich geringer als bei Populationsgittern. Bei paralleler Polarisation gewinnen thermische Gitter im Hochdruckbereich an Dominanz. Erstmalige Untersuchungen am OH-Radikal und Interpretationen des transienten Verhaltens thermischer Gitter im Abgas einer Hochdruckflamme durch eine englische Gruppe weisen auf ein hohes Potenzial des Beugungssignals thermischer Gitter für die Hochdruckverbrennungsdiagnostik hin. Die Auswertungen experimenteller Spektren der Beugungsstrahlung an thermischen Gittern basierend auf dem OH-Radikal sowie ein Vergleich der spektroskopischen und verbrennungsspezifischen Daten von OH und NO lassen auf die Eignung von LIGS für den Einsatz zur quantitativen Messung von Stickoxid in Hochdruckflammen schließen.Item Open Access Untersuchung pyrolytischer Reaktionen des Rußvorläufermoleküls Propargyl im Stoßwellenrohr(2001) Scherer, Stefan; Just, Thomas (Prof. Dr.)Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung pyrolytischer Reaktionen des Rußvorläufermoleküls Propargyl, C3H3, im Temperatur- und Druckbereich 1000K-2200K und 0,6bar- 9bar. Die Messungen wurden hinter reflektierten Stoßwellen mittels Atom-Resonanz-Absorptions-Spektroskopie durchgeführt. Die Ableitung kinetischer Daten erfolgte durch Vergleich gemessener H-Konzentrationsprofile mit Modellrechnungen. Für die unimolekulare Dissoziation C3H3 -> C3H2+H wurde aus den Messungen ein Reaktions-Geschwindigkeits-Koeffizient abgeleitet: k1 = 5,1±2,4x10 12 x exp(-39456±1140/T)s -1; p≥1,8bar. Durch Einsatz der Radikalvorläufer C3H3I und C2H5I wurde ein Geschwindigkeitsausdruck für die Reaktion: C3H3 + H -> Produkte: k5 = 8,7x10 13cm±7x10 12cm 3 mol-1 s -1 bestimmt. Die Aufteilung dieser Gesamtreaktion auf die Produktkanäle wurde aus Messungen der Umkehrreaktion, der Pyrolyse der beiden C3H4-Isomere Allen und Propin, rechnerisch bestimmt. Die für die Rußvorläuferchemie wichtige Propargyl-Selbstreaktion C3H3 + C3H3 zur Bildung des ersten aromatischen Rings wurde mittels nichtresonanter Absorption und Restgasanalysen des Produktgemisches aus dem Stoßrohrexperiment untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Disproportionierungskanal 2 C3H3 -> C6H5 + H bei allen untersuchten Bedingungen stets nur 3-6% zur Gesamtreaktion 2C3H3 -> Produkte beiträgt. Aus der nichtresonanten Absorption und aus einer Differenzmodellierung wurden folgende Geschwindigkeitsausdrücke abgeleitet: k(Disp) = 3±1x10 11 cm 3 mol -1 s -1 und 4,5x10 12 ≤ k(2C3H3->Prod.) ≤ 9x10 12 cm 3 mol-1 s-1. Zusätzlich wurden Messungen zur Bestimmung der Geschwindigkeitsausdrücke für die Benzol-Dissoziation, C6H6 -> C6H5 + H und die Rekombination C6H5 + H -> C6H6 durchgeführt. Die in dieser Arbeit abgeleiteten Daten stellen somit ein C3-Submodell für die Modellierung der Rußvorläuferchemie dar.