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 Projektabschlussbericht zum "Teilvorhaben Korrosionsverhalten" (FKZ 0325497B (MPA) + FKZ 0325497A (DLR)) des Verbundvorhabens "MS-Store - Flüssigsalzspeicher-Testanlage und neue Fluide"(2018) Kaesche, Stefanie; Rückle, Dagmar; Bauer, Thomas; Bonk, AlexanderZiel des Teilvorhabens „Korrosionsverhalten“ im Verbundprojekt MS-Store - Flüssigsalzspeicher-Testanlage und neue Fluide war es, Anforderungen an die zu verwendenden Werkstoffe, die durch hohe Temperaturen bei Energiespeichern in solarthermischen Kraftwerken auftreten, hinsichtlich des Korrosionsverhaltens zu untersuchen, um die Lebensdauer solcher Kraftwerke zu erhöhen, sowie substantielle wissenschaftliche Ergebnisse in diesem Anwendungsgebiet zu erhalten. Mittels Auslagerungsversuchen bei 560°C wurden die Abtragsraten für verschiedene Stähle in unterschiedlichen Nitratsalzmischungen in Abhängigkeit von der Auslagerungsdauer isotherm und zyklisch bestimmt. Im Anschluss wurden mittels diverser elektronenmikroskopischer und röntgenografischer Untersuchungsmethoden (FIB, REM, EDX; TEM; XRD) die Oxidschichtentwicklung und -beschaffenheit, die Phasenzusammensetzung der Oxidschicht, die Gefügestruktur des Grundwerkstoffs, sowie der erfolgte korrosive Angriff analysiert. Mittels elektrochemischer Prüfmethoden (OCP, IE, EIS) wurde das Korrosionsverhalten der Stähle in-situ bei Temperaturen zwischen 410 und 560°C und in Abhängigkeit der Reinheit der Salzschmelze analysiert, sowie die Stabilität der Oxidschichten evaluiert. Es zeigte sich eine eindeutige Überlegenheit der Korrosionsbeständigkeit der untersuchten Cr,Ni-Stähle gegenüber des hochwarmfesten Cr-Stahls, speziell in Salzschmelzen die Chloridgehalte ab 0,5 Gew.-% aufweisen. Weiterhin ließ sich eine eindeutige Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens von der gewählten Temperatur nachweisen; die Beständigkeit ist bei 410°C deutlich höher, als bei 560°C. Die mehrlagigen Oxidschichten bestehen aus Cr,Fe-Mischoxiden, sowie reinen Cr-/Fe-Oxiden. Sie weisen eine hohe Porosität, sowie eine schlechte Haftung auf dem Grundmaterial auf. Nach langer Auslagerung entstehen zusätzlich Na,Fe-reiche Oxide. Im Grundmaterial bildeten sich durch Stickstoffeintrag aus der Salzschmelze an den Korngrenzen oder auch im kompletten Gefüge Gefügeveränderungen, in Form von Cr-Nitriden. Neuartige elektrochemische Untersuchungen in Nitratsalzschmelzen bei hohen Temperaturen wurden mittels elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) durchgeführt. Dabei wurde die Abhängigkeit des Korrosionsverhaltens von Temperatur, Salzreinheit und Beschaffenheit und Stabilität der Oxidschichten ermittelt. EIS eignet sich sehr gut, um schnell fundierte Aussagen über ein vorliegendes Korrosionssystem zu treffen und kann auch in anderen Schmelzen, sowie anderen Werkstoffen oder Parametern eingesetzt werden. Die quantitative Auswertung dieser Messmethode ist sehr komplex und benötigt anwendungsbasierte Weiterentwicklung. Dennoch konnte das Auftreten des Breakaway-Effektes mittels dieser Methodik bestätigt werden. Außerdem wurde die Tendenz von Chrom zur Lösung in der Salzschmelze festgestellt, sowie Änderungen im Nitrat/Nitrit-Verhältnis, bedingt durch Zersetzungsreaktionen der Salzschmelze beobachtet. Diese Effekte können zu veränderten Eigenschaften der Schmelze hinsichtlich ihrer Wärmespeicherkapazität, ihrer generellen Stabilität und ihrer Korrosivität führen. Die im Verlauf des Teilvorhabens gewonnenen Erkenntnisse erweitern den bisher in der Fachliteratur präsentierten Kenntnisstand des Korrosionsverhaltens von anwendungsrelevanten Stählen in Nitratsalzschmelzen deutlich. Sie ermöglichen eine gezielte Materialauswahl für Planer und Konstrukteure von solarthermischen Kraftwerken.Item Open Access Low temperature oxidation of cyclohexane: uncertainty of important thermo-chemical properties(2018) Abbasi, Mehdi; Slavinskaya, Nadezda; Riedel, UweThe study of the standard formation enthalpy, entropy, and heat capacity for key species relevant to the low-temperature combustion of cyclohexane has been performed by applying the group additivity method of Benson. The properties of 18 Benson groups (8 of them for the first time), and 10 ring correction factors for cyclic species were estimated through different empirical and semi-empirical methods. The method validation proceeded through comparison of predicted values for certain number of newly estimated groups and available literature data derived from quantum chemistry estimations. Further validations of the estimated properties of groups have been provided by comparing estimated properties of test species with data in literature and kinetic databases. Also the standard deviation between prediction and reported values has been evaluated for each validation case. A similar approach has been applied for validation of the estimated ring correction groups. For selected well-studied cyclic molecules the predicted values and the literature data have been compared with each other, and the standard deviations have been also reported. The evaluated properties of the cyclohexane relevant species were also compared with similar ones available in other kinetic models and in databases. At the end the estimated properties have been presented in a tabulated form of NASA polynomial coefficients with extrapolation up to 3500 K.