Experimentelle Untersuchung thermochemischer Zustände in Ethanolflammen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Dreizler; Professor Dr.-Ing. Dirk Geyer
• Fachliche Zuordnung: Energieverfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315820332

Die übergeordnete wissenschaftliche Fragestellung des Vorhabens besteht in der Untersuchung der Chemie-Turbulenz-Interaktion bei der Vormischverbrennung komplexer, regenerativer Brennstoffe. Unter anderem aufgrund seiner technischen Relevanz eignet sich Ethanol hierfür besonders. Zur möglichst vollständigen Bestimmung des thermochemischen Zustandsvektors soll, basierend auf der spontanen Raman/Rayleigh-Spektroskopie, eine Messapparatur entwickelt werden, die es erlaubt, die Temperatur und simultan die Konzentrationen aller Hauptspezies in turbulenten, vorgemischten Ethanolflammen zu quantifizieren. Gegenüber einfachen Brennstoffen (z.B. Methan) steigt bei komplexeren Brennstoffen wie Ethanol in der Reaktionszone die Anzahl und vor allem auch die Konzentration der als Zwischenprodukte entstehenden (oxygenierten) Kohlenwasserstoffe (HC(O)) deutlich an. Die Konzentrationen einiger dieser Zwischenprodukte sind so hoch, dass sie als Hauptspezies betrachtet und quantifiziert werden müssen. Drei zentrale Schritte sind erforderlich, um diese HC(O)-Zwischenprodukte und das Ethanol zu messen: (1) Zur Evaluierung der Konzentrationen in Flammen muss die temperaturabhängige Raman-Antwort des Ethanols sowie der in vorgemischten Ethanolflammen mit höheren Konzentrationen auftretenden HC(O)-Zwischenprodukte bestimmt werden. Es handelt sich um Methan, Ethen sowie die Aldehyde Formaldehyd und Acetaldehyd. Diese Daten sind in der Literatur noch nicht über den erforderlichen Temperaturbereich bzw. überhaupt noch nicht veröffentlicht. Die hierzu benötigten strömungstechnischen Apparaturen sollen aufgebaut werden. Es handelt sich um einen neuartigen Gaserhitzer zur Erzielung besonders hoher Temperaturen, eine Apparatur zur kontinuierlichen Generierung eines definierten Stroms an Formaldehyd und eine Freistrahlkonfiguration zur Verbrennung vorgemischter Ethanolflammen in der gasförmigen Phase. (2) Für die Untersuchungen ist ein Raman/Rayleigh-Spektrometer erforderlich, das es erlaubt, die HC(O) Zwischenprodukte simultan zu den bisher schon gemessenen Hauptspezies CO2, O2, CO, N2, H2O, Brennstoff und H2 zu quantifizieren. Hierzu soll ein neuartiges Spektrometer entwickelt werden, welches in der Lage ist, die spektral eng beieinanderliegenden Raman-Signale der HC(O)-Zwischenprodukte und des Ethanols voneinander zu separieren. (3) Die charakteristischen, temperaturabhängigen Raman-Signale der HC(O)-Zwischenprodukte und des Ethanols sollen aufgenommen und aufgearbeitet werden. Zur Etablierung der Messtechnik sollen dann erstmalig Raman-Messungen an vorgemischten, laminaren Ethanolflammen erfolgen. Diese bilden die Basis für die Entwicklung der entsprechenden Auswertemethoden und Messungen an turbulenten Ethanolflammen in einer zweiten Projektperiode. Es wird sowohl eine signifikante Weiterentwicklung der Verbrennungsdiagnostik als auch eine erstmalige systematische Untersuchung der Hauptspezies in Ethanolflammen im Kontext der Chemie-Turbulenz-Interaktion erwartet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen