Angaben aus der Verlagsmeldung

Exerimentelle und numerische Analyse des Flammenrückschlags bei der mageren Vormischverbrennung / von Olaf Schäfer



Die technische Realisierung des schadstoffarmen Verbrennungskonzepts der mageren Vormischverbrennung ist unter anderem bisher nicht erfolgt, weil für das Problem des Flammenrückschlags keine systematische, grundlagenorientierte Untersuchung unter technisch relevanten Bedingungen existiert. Die vorliegende Arbeit liefert im Rahmen eines umfangreichen und systematisch angelegten Programms den Grundstein zu einem vollständigen Verständnis des Flammenrückschlags bei der mageren Vormischverbrennung flüssiger Brennstoffe.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine einzigartige, atmosphärische Versuchseinrichtung entwickelt. Durch die funktionale Trennung der Teilaspekte in der Vormischverbrennung flüssiger Brennstoffe ermöglicht der experimentelle Aufbau die unabhängige und gezielte Variation der Strömungsparameter am Übergang der Vormischzone zur Brennkammer. Es können homogen vorgemischte laminare und turbulente Strömungen erzeugt werden, sowohl verdrallt als auch unverdrallt. Als Brennstoffe eignen sich Reinstoffe, z.B. langkettige Alkane, in gleicher Weise wie kommerzielle Flüssigbrennstoffe. Diese beispiellosen Möglichkeiten bilden die Grundlage zur Bestimmung der laminaren Flammengeschwindigkeit und der Mechanismen beim Flammenrückschlag in unverdrallter Strömung.
Die in der Arbeit vorgestellte, systematische Vorgehensweise erfordert die Messung der Flammengeschwindigkeit der verwendeten flüssigen Brennstoffe, da für diese keine Angaben zur Flammengeschwindigkeit bei hohen Temperaturen existieren. Zu diesem Zweck wird eine neuartiges Verfahren zur Ermittlung der Flammengeschwindigkeit entwickelt und eingesetzt, mit dem eine Erweiterung der Datenbasis auf Gemischtemperaturen bis 873 K möglich wird.
In der vorliegenden Arbeit wird erstmals die laminare Flammenausbreitung parallel zur Wand in Rohren mit technisch relevantem Durchmesser berechnet. Eine Schlüsselposition in der vorliegenden Arbeit nimmt die Analyse des lokalen, normierten Wärmestroms ein. In dieser Weise wurde des Flammenrückschlag bisher noch nicht analysiert. Diese Analyse führt auf eine beschreibende Größe die für magere Gemische langkettiger Kohlenwasserstoffe unabhängig von der Lewis-Zahl ist. Im Gegensatz zur allgemein verwendeten Peclet-Zahl ist diese Größe unabhängig vom Äquivalenzverhältnis und dem Geschwindigkeitsprofil der laminaren Strömung. Erst diese Analyse ermöglicht die Übertragung auf den Fall des senkrechten Auftreffens einer Flammenfront als Grenzfall des Flammenrückschlags bei der mageren Vormischverbrennung. Mit dieser Modellvorstellung ist die Angabe einer neuen, kritischen Peclet-Zahl möglich unterhalb derer kein Flammenrückschlag möglich ist. In Analogie zum laminaren Flammenrückschlag kann auf Basis dieser Modellvorstellung auch zum ersten Mal ein unterer Wert der kritischen Peclet-Zahl angegeben werden, unterhalb dessen eine turbulente Flammenausbreitung parallel zur Wand nicht möglich ist.
Da eine Simulation des turbulenten Flammenrückschlags durch den Bereich der Wandgrenzschicht derzeit noch nicht möglich ist, wurden für diesen Fall erstmals quantitative Untersuchungen zur wandparallelen Flammenausbreitung in turbulenter Strömung durchgeführt. Unterschiedlich turbulente Strömung mit einem Turbulenzgrad in der Hauptströmung von bis zu 18 Prozent wurden experimentell realisiert. In diesem Versuchsaufbau wurde die untere Grenze der kritischen Peclet-Zahl erstmals experimentell für den Fall einer ungestörten turbulente Rohrströmung nachgewiesen.
Im allgemeinen Fall einer ausgebildeten turbulenten Rohrströmung wird der Flammenrückschlag immer durch den wandnahen Bereich der Strömung erfolgen. Anhand theoretischer Überlegungen zur Flammenausbreitung in einer ausgebildeten turbulenten Rohrströmung wird in der vorliegenden Arbeit gezeigt, dass die Flammenausbreitung immer durch den Bereich y+  12 erfolgen muss. Weiterhin wird dargestellt, dass für y+  12 und einer kritischen Peclet-Zahl von Pe 3 kein ausgezeichneter Wandabstand für die Flammenausbreitung existiert. In diesem Fall ist somit kein definierter Löschabstand mehr vorhanden. Dieser Effekt gewinnt mit steigender Temperatur bzw. abnehmender Prandtl-Zahl an Bedeutung.