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Projekt
Experimentelle Untersuchung der laminaren Brenngeschwindigkeit von Kältemitteln unter Erdschwere und Mikrogravitation
Antragsteller
Dr.-Ing. Joachim Beeckmann
Fachliche Zuordnung
Energieverfahrenstechnik
Förderung
Förderung seit 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 497007546
Kältemittel der nächsten Generation mit geringerem Treibhauspotenzial, die in Kälte- und Wärmeanlagen eingesetzt werden, neigen aufgrund ihrer hohen Entflammbarkeit zu erhöhter Brandgefahr. Die Beurteilung des Brandgefährdungspotenzials einer Substanz erfolgt anhand ihrer Entflammbarkeit und der laminaren Brenngeschwindigkeit - ein wichtiger Parameter zur Beschreibung von Reaktivität und Exothermie. In herkömmlichen Methoden werden kugelförmige schnell fortschreitende Flammen optisch gemessen, um daraus die laminare Brenngeschwindigkeit zu errechnen. Aufgrund der langsamen Brenngeschwindigkeit vieler Kältemittelflammen treten zwei physikalische Phänomene in den Vordergrund: (1) die auftriebsbedingte Verformung der Flammen und (2) Strahlungswärmeverluste, wodurch grundsätzlich erforderliche methodenbedingte Annahmen hinfällig werden. Die Annahme einer kugelförmigen Flammenoberfläche wird unzulässig und die darauf basierende Datenextraktion verfälscht. Als Resultat liegen kaum genaue Brenngeschwindigkeitsdaten für diese Kältemittel vor. Um ein grundlegendes Verständnis des Verbrennungsverhaltens zu erlangen und genaue Brenngeschwindigkeitsdaten zu generieren, müssen die Flammenstruktur, die Flammenausbreitung und die Gasdynamik mithilfe von repräsentativen Experimenten detailliert untersucht werden. Ziel ist es, robuste Methoden zu entwickeln, welche das Verbrennungsverhalten von Kältemitteln zuverlässig charakterisieren. Zu Projektbeginn werden die Auftriebseffekte von langsam brennenden Kältemitteln mittels Particle Image Velocimetry (PIV) untersucht. Die lokale Krümmung der Flammenfront und die Flammendeformation sind Schlüsselfaktoren bei der Bestimmung der laminaren Brenngeschwindigkeiten. Mikrogravitationsexperimente, die in der Fallturmanlage des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen durchgeführt werden, liefern Daten zur auftriebsfreien Flammenausbreitung und isolieren so den Effekt der Strahlungswärmeverluste. Die Strahlung wird durch das räumlich und zeitlich aufgelöste Temperaturfeld der Flamme quantifiziert, das mittels der Hochgeschwindigkeits-Rayleigh-Streuungstechnik ermittelt wird. Die Ergebnisse tragen dazu bei, bestehende Strahlungskorrekturmodelle weiterzuentwickeln und zu modifizieren, die für Kohlenwasserstoffe entwickelt wurden, aber nicht für Kältemittelflammen validiert sind. Zuletzt wird eine Flammenstrukturanalyse auf der Grundlage eines asymptotischen Ansatzes mit einem mehrstufigen Reaktionsschema durchgeführt. Analysiert werden die zugrundeliegenden physikalisch-chemischen Prozesse, die an der Zündung, dem Erlöschen und der Ausbreitung von Kältemittel/Oxidationsmittel-Gemischen beteiligt sind. Die Anwendbarkeit der bestehenden asymptotischen Ansätze wird untersucht und für die Abbildung von Kältemittelflammen modifiziert. Dadurch können genauere und robuste Modellierungsansätze für die laminaren Brenngeschwindigkeit von Kältemittelflammen entwickelt werden.
DFG-Verfahren
Forschungsgruppen
