Experimentelle Untersuchungen zum Einfluss von Kohlenwasserstoffen auf das Verbrennungsverhalten drallstabilisierter Sprayflammen

Abstract

Die Zusammensetzung alternativer flüssiger Brennstoffe kann sich stark von der Zusammensetzung konventioneller Brennstoffe unterscheiden. Sie kann durch die Wahl der Syntheseparameter gezielt beeinflusst werden, um das Verbrennungsverhalten zu optimieren. Vor diesem Hintergrund beschreibt diese Dissertation Untersuchungen zum Verbrennungsverhalten ausgewählter Kohlenwasserstoffe, mit dem Ziel, ein besseres Verständnis des Einflusses einzelner Bestandteile synthetischer flüssiger Brennstoffe auf das Verbrennungsverhalten zu erlangen. Dazu wurde ein Versuchsstand zum Betrieb drallstabilisierter atmosphärischer Sprayflammen aufgebaut. Die Brennkammer war optisch zugänglich, um die Anwendung optischer und laserbasierter Messmethoden zu ermöglichen. Die untersuchten Brennstoffe wurden gezielt anhand ihrer chemischen Klasse und ihrer Stoffeigenschaften ausgewählt. Die Wahl fiel auf die linearen Alkane n-Hexan, n-Nonan und n-Dodecan, das verzweigte Alkan iso-Octan, sowie Cyclohexan und Toluol als Vertreter der ringförmigen Alkane und der Aromaten. Zum Vergleich wurde Kerosin Jet A-1 untersucht. Es wurde eine Referenzflamme mit einem Äquivalenzverhältnis von 0,8 und einem Luftmassenstrom von 4,3 g/s definiert. Dies entsprach einer thermischen Leistung von ca. 10 kW. Die mageren Verlöschgrenzen und die CO und NOx-Abgasemissionen wurden über einen weiten Luftmassenstrombereich bzw. Äquivalenzbereich bestimmt. Zusätzlich zu diesen globalen Größen wurden das nichtreagierende und Teile des reagierenden Gasphasenströmungsfelds mit Particle Image Velocimetry gemessen. Außerdem wurden die Wandtemperaturen mit Phosphorthermometrie und die Sprayverteilung mittels Laserlichtstreuung gemessen. Tropfengrößen und -geschwindigkeiten wurden mit Laser-Doppler-Anemometrie und Phasen-Doppler-Interferometrie bestimmt. Die Gasphasentemperatur wurde mittels kohärenter anti-Stokes Raman-Spektroskopie gemessen. Zusätzlich wurde das Flammeneigenleuchten aufgezeichnet. Auch Randbedingungen wie die Brennstoffvorwärmtemperatur und Luftvorwärmtemperatur wurden gemessen. Bezüglich der mageren Verlöschgrenzen wurden bei den gewählten Referenzbedingungen Unterschiede zwischen Brennstoffen von bis zu 14 % festgestellt. Mit Hilfe der ergänzenden Messungen und einer umfassenden Analyse der physikalischen und chemischen Brennstoffeigenschaften konnten sowohl eine große Bedeutung der Brennstoffreaktivität, als auch ein positiver Einfluss einer heterogenen Brennstoffverteilung auf die Verlöschgrenze aufgezeigt werden. Hinsichtlich der NOx-Emissionen wurden bei den gewählten Referenzbedingungen Unterschiede zwischen Brennstoffen von mehr als einem Faktor 2 gefunden. Neben dem unmittelbaren Einfluss der adiabaten Flammentemperatur auf die NOx-Emissionen konnte ein Einfluss der lokalen Verteilung des flüssigen Brennstoffs und der resultierenden gemessenen Gasphasentemperaturverteilung herausgearbeitet werden. Die Brennstoffe lieferten keine nennenswerten Unterschiede in den CO-Emissionen. Es wurde ein umfassender quantitativer experimenteller Datensatz zur Validierung numerischer Modelle und zum besseren Verständnis des Einflusses physikalischer und chemischer Eigenschaften einzelner Brennstoffkomponenten auf das Verbrennungsverhalten erstellt. Außerdem konnte gezeigt werden, dass bereits ein atmosphärischer Prüfstand mit kleiner thermischer Leistung und entsprechend geringen Kosten geeignet sein kann, relevante Trends des Brennstoffeinflusses, zum Beispiel im Rahmen eines Zertifizierungsprozesses, aufzuzeigen.