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Untersuchung der Interaktion zwischen eingedüsten Wassertropfen und Flammen

Die Tropfen-Flamme-Interaktion stellt neben der Grundlagenforschung auch für eine Vielzahl von industriellen und praktischen Anwendungen ein interessantes Themenfeld dar. So können in Gasturbinen durch eine gezielte Wassereindüsung Temperaturspitzen und damit die Bildung von thermischen Stickoxiden deutlich reduziert werden. Auch in Kolbenmotoren (Benzin, Diesel) wird eine Wassereindüsung in unterschiedlichen Ausführungen zur gezielten Einflussnahme auf die Verbrennung angewandt. Neben der Reduzierung von Schadstoffemissionen nützt dies der Leistungssteigerung. Eine durch Wassertropfen abgekühlte Ansaugluft benötigt weniger spezifische Verdichtungsarbeit, was einen höheren Luftdurchsatz ermöglicht. Bei gleicher Luftzahl kann somit ein größerer Kraftstoffdurchsatz erzielt werden, was wiederum die Leistung erhöht [Steinhilber, 2007].

Der eigentliche Antrieb der Arbeit entstand jedoch aus dem Brand- und Explosionsschutz heraus. Beide begegnen prinzipiell dasselbe Problem, jedoch sind die Zeitskalen im Explosionsschutz dramatisch kleiner, weshalb hier eine Abgrenzung erfolgen soll. Der wesentliche Löscheffekt ist die Kühlwirkung des Wassers, welches eine hohe spezifische Wärmekapazität in der flüssigen Phase und eine noch viel höhere Verdampfungsenthalpie aufweist. Die Masse an Löschwasser begrenzt hierbei die maximal mögliche Wärmeaufnahme, während die Verdampfungsrate die real aufnehmbare Wärmemenge begrenzt. Letztere hängt maßgeblich von der Gesamttropfenoberfläche ab, welche sich mit abnehmender Tropfengröße im Verhältnis zur Gesamtmasse vergrößert. Feinere Tropfen können also zu einer effizienteren Löschwirkung führen, sie sind jedoch auch anfälliger gegenüber Strömungsbedingungen und erreichen mitunter nicht den gewünschten Ort der effektivsten Wärmeaufnahme, nämlich die Flammenfront nahe des Reaktionskernes. Während die Kühlwirkung in der Gesamtbilanz schon recht gut verstanden ist, fehlen noch genauere Erkenntnisse im kleineren Labormaßstab (siehe beispielhaft [Sasongko et al., 2011]). Welche weiteren Effekte sind für die Flammenlöschung von Bedeutung? Wie lassen sich diese beschreiben oder voraussagen? Lassen sich solche Ergebnisse auf den Realmaßstab übertragen?

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Abbildung 1: Schema der Brennerdüse mit isothermen Strömungsfeld aus Merkle (2006)

Zu diesem Zweck soll die Tropfen-Flamme-Interaktion im Labormaßstab experimentell untersucht werden. Zur Abbildung einer möglichst realitätsnahen, nämlich hochturbulenten Diffusionsflamme wird eine mit Erdgas befeuerte Rohrbrennkammer ausgestattet mit einer institutseigenen Brennerdüse [Merkle, 2006] eingesetzt (siehe Abbildung 1). Diese bietet zudem eine semistationäre Flammenfront zur Untersuchung der Effekte der Wassertropfen. Die Tropfen sollen im mikroskalischen Bereich zwischen 10 und 100 µm liegen und über ein polydisperses Spray aus verschiedenen Eindüsepositionen heraus zur Flamme gelangen. Im Unterschied zu vorigen Untersuchungen wird die Verbrennungsluft also nicht mit Wasser vorbeladen [Sasongko et al., 2011]. Die Experimente sollen durch eine ausführliche Literaturstudie sowie durch grundlegende numerische Untersuchungen mit Validierungscharakter unterstützt werden. Zu erwarten ist eine quantitative Beschreibung der Wechselwirkungseffekte zwischen Wassertropfen und Flamme direkt an deren Front sowie in Abhängigkeit der jeweiligen Spray- und Tropfencharakteristika. Im Vorhinein soll daher eine ausgiebige Sprayuntersuchung erfolgen, damit dieses im späteren Verlauf entsprechend variiert werden kann. Denkbar sind dafür nicht-intrusive optische Messverfahren wie LDA/PDA und Schattenmessverfahren (engl.: Shadowgraphie). Eine thermo- und velozimetrische Vermessung der relevanten Bereiche (TE, Hitzdraht) und eine Abgasuntersuchung unterstützen sinnvollerweise die Flammenstabilitätsuntersuchung. Optimalerweise würden sich die Ergebnisse schließlich auf einen Realmaßstab übertragen lassen.

Literatur

[1]

T. W. Steinhilber, Einfluss der Wasser- oder Emulsionseinspritzung auf die homogene Dieselverbrennung, Technische Universität München, Lehrstuhl für Thermodynamik, 2007.

[2]

M. N. Sasongko, M. Mikami und A. Dvorjetski, „Extinction condition of counterflow diffusion flame with polydisperse water sprays,“ Proceedings of the Combustion Institute, Bd. 33, Nr. 2, pp. 2555-2562, 2011.

[3]

K. Merkle, Einfluss gleich- und gegensinniger Drehrichtung der Verbrennungsluftströme auf die Stabilisierung turbulenter Doppeldrall-Diffusionsflammen, Universität Karlsruhe (TH), Fakultät für Chemieingenieurwesen und Verfahrenstechnik, 2006.

 


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