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TU Berlin

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A08: Optimierung brennbarer Gemische für die stoßfreie Explosion

TP-Leiter
Prof. Dr.- Ing. Neda Djordjevic ()

WM (EA): Johann Vinkeloe ()

WM (GA): Lisa Zander

Zusammenfassung

Die Annäherung an die Gleichraumverbrennung als stoßfreie Explosion im Shockless Explosion Combustor (SEC) beruht auf einer quasi-homogenen Selbstzündung des zündfähigen Gemisches im Brennraum. Dementsprechend wird der Prozess durch brennstoffspezifische chemische Vorgänge maßgeblich beeinflusst. Der SEC-Prozess ist gegenüber Inhomogenitäten von Gemisch und Temperatur sehr empfindlich. Dabei spielen die charakteristischen Zeitskalen, Zündverzugszeit und Ausbrandzeit, eine entscheidende Rolle. Das Ziel dieses Projektes ist die Realisierung der quasi-homogenen Selbstzündung im SEC-Prozess, durch Anpassung der relevanten Zeitskalen basierend auf einer Brennstoffoptimierung. Somit liefert das Teilprojekt einen wichtigen Beitrag zur Realisierung des in der dritten Förderperiode geplanten Demonstrators.

Wissenschaftliche Herangehensweise

Abb. 1: Wissenschaftliche Vorgehensweise (das Schema)
Lupe

In diesem Teilprojekt werden Maßnahmen zur Verlängerung der Ausbrandzeit, also der charakteristischen Zeit des chemischen Energieumsatzes, durch Abgasrezirkulation und Wasserdampfzugabe untersucht, um eine robuste quasi-homogene Zündung und Verbrennung in der SEC zu realisieren. Desweiteren hat der SEC-Prozess ebenfalls hohe Anforderungen bezüglich der Größenordnung der Zündverzugszeit. Oben genannte Maßnahmen beeinflussen gleichzeitig die Zündverzugszeit und dieser Effekt wird anhand von experimentellen Untersuchungen in einem Stoßrohr quantifiziert. Darauf basierend werden Modelle der Reaktionskinetik den angestrebten Betriebsbedingungen angepasst und mit Hilfe dieser Modelle werden Gemische und Betriebsbedingungen optimiert. Diese Maßnahmen führen ebenfalls zur Absenkung von Temperaturspitzen am Turbineneinlass und zur Reduktion von NOx-Emissionen. Weiterhin sind der räumliche Gradient der Zündverzugszeit, die akustische Zeitskala und die Ausbrandzeit die entscheidenden Größen für die Bildung einer Detonationswelle nach dem SWACER Mechanismus.
Eine effektive Beeinflussung dieser Größen ermöglicht die unerwünschten Detonationen in der SEC zu verhindern.
Um der Prozessanforderung an die Zündverzugszeit zu entsprechen und somit den SEC-Prozess zu befördern, wird für die Laboruntersuchungen als Brennstoff vorerst der zündwillige Dimethylether (DME) eingesetzt (Teilprojekt A03). Für eine breite industrielle Anwendung der entwickelten Technologie ist es jedoch wichtig, die Realisierbarkeit des SEC-Prozesses mit einem möglichst breiten Spektrum von Brennstoffen zu gewährleisten. Mit dem Ziel der Erweiterung des Brennstoffspektrums für die SEC, werden die Zündeigenschaften unterschiedlicher alternativer und konventioneller Brennstoffe untersucht und durch Additive so angepasst, dass deren Einsatz im SEC-Prozess und die Anwendung der entwickelten Maßnahmen zur Verlängerung der Ausbrandzeit möglich werden.

Konzepte zur Optimierung brennbarer Gemische

 Verlängerung der Ausbrandzeit   

  • Wasserdampfzugabe
  • Abgasrezirkulation

 Erweiterung des Brennstoffspektrums für konventionelle und alternative Brennstoffe

  • Verkürzung der Zündverzugszeit (z.B. durch Additive)
  • Minderung der Temperaturabhängigkeit  der Zündverzugszeit (s. auch Teilprojekt A07)

Experimentelle Methode

Zur Untersuchung der Selbstzündung brennbarer Gemische eignet sich für die Messung der Zündverzugszeiten in der relevanten Größenordnung die Stoßrohrmethode. In einem Stoßrohr wird eine Stoßwelle durch die Expansion eines inerten Treibgases generiert, welche sich in das zu untersuchende Testgas bewegt. An der Stoßfront kommt es zu einem plötzlichen Anstieg von Druck, Temperatur und Dichte. An der Endplatte des geschlossenen Stoßrohres wird die einfallende Stoßwelle reflektiert, wobei es zu einem weiteren Sprung in den Zustandsgrößen kommt. Diese Vorgänge können in dem Raum-Zeit Diagramm des Druckes in einem Stoßrohr (bild 2) beobachtet werden. Demzufolge wird das Testgas nach Durchlaufen der reflektierten Stoßwelle schlagartig, annährend isochor auf Testtemperatur und Druck gebracht. Die Testbedingungen werden durch die Eigenschaften der verwendeten Gase und Anfangsbedingungen in beiden Sektionen bestimmt. Die zur Verfügung stehende Messzeit im Stoßrohr kann durch die Anpassung der Treibgaszusammensetzung verlängert werden.

Raum-Zeit Diagramm des Druckes in einem Stoßrohr: Treibgas Helium bei 20 bar und 300 K / Testgas Luft bei 1 bar und 300 K
Lupe

Ein Hochdruck-Stoßrohr (pmax = 400 bar) wird momentan an der Technischen Universität Berlin aufgebaut und ermöglicht Messung der Zündverzugszeiten unter technisch relevanten Bedingungen. Das Stoßrohr ist 12,4 m lang und hat einen Innendruchmesser von 95 mm, um Wandeffekte zu minimieren. Die Beheizung der Testgassektion bis zu 200 °C ermöglicht Untersuchungen mit flüssigen Brennstoffen. Der Betrieb in Einzel- oder Doppelmembranenmodus ist möglich. Die eingebauten piezoresistive Drucksensoren ermöglichen Bestimmung der Geschwindigkeit der einfallenden Stoßwelle. Die Messung der Zündverzugszeit erfolgt basierend auf der zeitlich hochaufgelösten Erfassung von Druck- und Chemilumineszenz (bis 10 MHz). Die zwei eingebauten Hochdruck-Sichtzellen in der Messebene ermöglichen die simultane zeitaufgelöste Messung der Chemilumineszenz unterschiedlicher Spezies mittels Photomultiplier.

Zusatzinformationen / Extras

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