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TU Berlin

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A08: Optimierung brennbarer Gemische für die stoßfreie Explosion

TP-Leiterin
Prof. Dr.- Ing. Neda Djordjevic (email [1])

WM (EA): Johann Vinkeloe (email [2])

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 gesamten Brennraum. Dementsprechend wird der Prozess durch brennstoffspezifische chemische Vorgänge maßgeblich beeinflusst und ist daher gegenüber lokalen Inhomogenitäten in 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 die Anpassung der relevanten Zeitskalen basierend auf der Optimierung brennbarer Gemische zu unterstützen.

 

 

1. Förderperiode 2016-2020

Bestimmung der Zündverzugszeit aus einer Stoßrohrmessung
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Experimentelle Charakterisierung des Zündverhaltens brennbarer Gemische

In der zweiten Förderperiode wurde eine Anlage zur Messung der Zündverzugszeit anhand der Stoßwellenmethode aufgebaut. Ein Stoßrohr besteht im Wesentlichen aus einem sehr langen, an beiden Enden geschlossenen Rohr, das durch eine Membran in einen Hoch- und einen Niederdruckteil getrennt ist. Der Hochdruckteil wird mit einem Treibgas gefüllt, bis die Membran aufgrund der durch die Druckdifferenz in den beiden Stoßrohrteilen verursachten Kraft reißt. Dadurch entsteht eine Stoßfront, an der es zu einem plötzlichen Anstieg von Druck, Temperatur und Dichte des sich im Niederdruckteil befindenden Testgases kommt. Die Zündverzugszeiten werden hinter der an der Endwand reflektierten Stoßwelle gemessen. Dabei wird das Testgas nach Durchlaufen der reflektierten Stoßwelle schlagartig auf Testtemperatur und -druck gebracht. Die Zündverzugszeit entspricht hierbei der Zeitspanne zwischen Ankunft der reflektierten Stoßwelle am Messort und der Zündung des Gasgemisches.

Das Hochdruck-Stoßrohr hat eine Länge von 12,05 m. Der Innendurchmesser beträgt 95 mm, um Wandeffekte zu minimieren. Die Anlage ist auf den Maximaldruck von 400 bar ausgelegt. Um die Versuche mit flüssigen Brennstoffen und/oder Wasserdampf zu ermöglichen, kann der Testgasteil mit Heizmanschetten auf bis zu 200°C erwärmt werden. Das Design ermöglicht auch einen Doppelmembran-Betrieb, der eine höhere Reproduzierbarkeit der Bedingungen hinter der reflektierten Stoßwelle ermöglicht. Die schnelle Datenerfassung mit einer Datenrate von 10 MHz ermöglicht zeitlich hochaufgelöste Messungen. Das neu aufgebaute Stoßrohr wurde hinsichtlich nicht-idealer Effekte charakterisiert. Das Verfahren zur Messung der Zündverzugszeit im Hochdruckstoßrohr wurde anhand von Literaturdaten für gasförmige und flüssige Brennstoffe validiert. Die neue Forschungsinfrastruktur ermöglicht eine umfassende Charakterisierung des Zündverhaltens von alternativen Brennstoffen und brennbaren Gemischen.

Hochdruck-Stoßrohr an der TU Berlin
Lupe [4]

Verlängerung der Ausbrandzeit brennbarer Gemische

Da der SEC-Prozess auf dem Prinzip der quasi-homogenen Selbstzündung basiert, ist der Prozess sehr anfällig für vorzeitige Zündung an Stellen mit erhöhter Reaktivität im Brennstoff-Luft-Gemisch (sogenannte Hotspots). An diesen Orten kann nicht nur eine verfrühte Zündung auftreten, sondern es können sich auch subsonische, supersonische Deflagrationswellen, oder unter Umständen auch Detonationswellen aus diesen Hotspots bilden. Die Entstehung einer Detonation ist eine unmittelbare Folge der Kopplung der Zündwelle, welche sich entlang des Reaktivitätsgradienten ausbreitet, und der aus der Wärmefreisetzung resultierenden Druckwelle. Die Bildung einer Detonation aus einem Hotspot soll in der SEC verhindert werden. Weist ein brennbares Gemisch eine relativ lange Ausbrandzeit auf, d.h. charakteristi­sche Zeit des chemischen Energieumsatzes, wird die Bildung einer Detonation in Anwesenheit der lokalen Inhomogenitäten (Hotspots) erschwert. Die Ausbrandzeit lässt sich durch eine Verdünnung des brennbaren Gemisches mit Kohlendioxid, Abgas oder Wasserdampf verlängern. Jedoch beeinflusst die Verdünnung brennbarer Gemische auch die Zündverzugszeit. Diese Einflüsse werden im Hochdruck-Stoßrohr experimentell quantifiziert und anhand von numerischen und kinetischen Studien analysiert.

1D-Simulation der Ausbreitung einer Reaktionsfront aus einem generischen Hotspot im stöchiometrischen Dimethylether/Luft-Gemisch bei 20 bar. Duch die Verdünnung mit Wasserdampf lässt sich die Bildung einer Detonation unterdrücken und gleichzeitig eine quasi-homogene Zündung realisieren.
Lupe [5]
Zündverzugszeiten des Brennstoffgemisches aus Dimethylether, Wasserstoff und Methan (1:1:1) und den jeweiligen Einzelbrennstoffen bei 33 bar simuliert mit dem Reaktionsmechanismus Aramco 3.0
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Brennstofftailoring zur Optimierung des Zündverhaltens


Um eine robuste quasi-homogene Selbstzündung im SEC-Prozess zu gewährleisten, wurde im Teilprojekt A07 die Strategie vorgeschlagen, die Temperatursensitivität der Zündverzugszeit zu minimieren. Um dies zu erreichen, werden Brennstoffe mit und ohne so genanntes NTC-Verhalten (NTC – negative temperature coefficient) gemischt. Die Brennstoffmischungen werden hinsichtlich der Zündverzugszeit im Hochdruck-Stoßrohr bei technisch relevanten Bedingungen charakterisiert. Der Einfluss der jeweiligen Brennstoffkomponente auf das Zündverhalten und relevante Parameter werden in kinetischen Studien numerisch untersucht.

Publikationen

 

 

Djordjevic, N., Rekus, M., Vinkeloe, J., Zander, L. (2019). Shock tube and kinetic study on the effects of CO2on dimethyl ether autoignition at high pressures. Energy&Fuels (akzeptiert am 30.08.2019).

N. Djordjevic, N. Hanraths, J. Gray, P. Berndt, J. Moeck: Numerical study on the reduction of NOx emissions from pulse detonation combustion, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 140(4), 041504, 2018.

Stathopoulos, P., Rähse, T., Vinkeloe, J., Djordjevic, N. (2019). Steam injected Humphrey cycle for gas turbines with pressure gain combustion. Energy (akzeptiert am 29.08.2019).

J. Vinkeloe, N. Djordjevic: Optimierung der Temperaturabhängigkeit von Zündverzugszeiten für pulsierende stoßfreie Verbrennung durch Brennstofftailoring, 29. Deutscher Flammentag, September 2019, Bochum

M. Rekus, L. Zander, J. Vinkeloe, N. Djordjevic: Influence of CO2 dilution on shock tube ignition delay times of dimethyl ether/air mixtures at high pressures, 9th European Combustion Meeting, 14 – 17 April 2019, Lisboa, Portugal

L. Zander, G. Tornow, Rupert Klein, N. Djordjevic: Knock control in Shockless Explosion Combustion by extension of excitation time, Active Flow and Combustion Control 2018, pp. 151-166, Springer, Cham.

C. Lhuillier, R. Oddos, L. Zander, F. Lückoff, K. Göckeler, C.O. Paschereit, N. Djordjevic: Hydrogen–enriched methane combustion diluted with exhaust gas and steam: Fundamental investigation on laminar flames and NOx emissions, ASME Turbo Expo, Charlotte, NC, USA, 2017 (GT2017-64885)

N. Hanraths, F. Tolkmitt, P. Berndt, N. Djordjevic: Numerical Study on NOx Reduction in Pulse Detonation Combustion by Using Steam Injection Decoupled from Detonation Development, GTP-18-1377, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 140(12), 121008, 2018

R. Oddos, C. Lhuillier, L. Zander, P. Habisreuther, N. Zarzalis, N. Djordjevic: Experimental and Numerical Study on Diluted Laminar Hydrogen-Enriched Premixed Methane/air Flames, European Combustion Meeting, Dubrovnik, Croatia, 2017

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