Inhaltsverzeichnis

1

INHALTSVERZEICHNIS

1

Motivation

2

2

Verbrennung

3

2.1

Einleitung

3

2.2

Allgemeines

5

2.3

Arten von Flammen

9

2.3.1

Turbulente Flammen

10

2.3.2

Laminare Flammen

11

2.3.3

Diffusionsflamme

12

2.3.4

Vormischflamme

15

3

Inbetriebnahme

17

4

Versuchsdurchführung

21

4.1

Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Köpfe

23

4.2

Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Schlitzlängen

26

4.3

Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Düsen

28

4.3.1

Einfluss der hohen Düse (Düse 3)

29

4.3.2

Einfluss der roten Düse (Düse 1)

31

4.3.3

Vergleich der verschiedenen Düsen

33

4.4

Untersuchung des Einflusse eines anderen Drallerzeugers

35

4.5

Ideale Konfiguration für Wasserstoff

37

5

Umbau des Versuchsstandes und des Drallerzeugers

39

6

Herunterfahren des Versuchsstandes

43

7

Probleme bei der Versuchsdurchführung

44

8

Zusammenfassung

46

9

Literaturverzeichnis

47

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1. Motivation

2

1 Motivation

Heutzutage wird bei jeder Verbrennung von fossilen Brennstoffen eine große Menge an CO2

in die Atmosphäre freigesetzt. Da das zur ständig wachsenden Umweltverschmutzung

beiträgt, war es ein Ziel der Semesterarbeit eine Brennerkonfiguration zu finden, mit der es

möglich ist Deponie- und Klärgase zu verbrennen. Diese Brennstoffe haben einen großen

Wasserstoffanteil, was viele Probleme bei der Verbrennung verursacht. Alternativ soll auch

die Verbrennung von Methan möglich sein.

Ein solcher Brenner zur stabilen Verbrennung von reinem Wasserstoff, bei gleichzeitiger

Verwendbarkeit zur Verbrennung von Erdgas (Methan), ist bis jetzt noch nicht erreicht, was

aber in der heutigen Zeit, mit den immer knapper werdenden Rohstoffen und fossilen

Brennstoffen und der damit einhergehenden Umweltverschmutzung, ein kleiner aber nicht zu

verachtender Schritt wäre.

Die Verbrennung von Deponiegas greift zudem nicht mehr die knappen Rohstoffreserven

unserer Erde an, sondern verwertet die ohnehin vorhandenen Abfallprodukte. Dabei ist sie

auch noch ein wenig umweltverträglicher als die Verbrennung fossiler Brennstoffe, da der

Ausstoß von CO2 verringert wird.

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2. Verbrennung

3

2 Verbrennung

2.1 Einleitung

"If you examine where the heat of a candle is, you will find it very

curiously arranged. Suppose I take this candle, and hold a piece of paper

close upon the flame, where is the heat of that flame? Do you not see that it is not

in the inside? It is in a ring, exactly in the place where I told you the chemical

action was..."

[1]

Mit diesen Worten führte Mitte des 19. Jahrhunderts ein Wissenschaftler seinen Studenten

ein Experiment vor, um ihnen zu zeigen wie die Verbrennung in einer Flamme

abläuft. Als Anschauungsobjekt diente ihm zu dieser Zeit eine einfache Kerze und ein Blatt

Papier. 1861 erschien schließlich das Buch zu seiner Zyklusvorlesung ,,

The Chemical History

of a Candle

".

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2. Verbrennung

4

Die Rede ist von Michael Faraday. 1791 in der Nähe von London als Sohn eines

Schmieds geboren, wurde er nach einer Zeit als Laufbursche eines Buchbinders von Sir

Humphry Davy als Laborassistent an der Royal Institution angeworben. Als dessen Begleiter

lernte er auf seinen Reisen durch die Welt viele berühmte Wissenschaftler kennen. Nach

seiner Rückkehr an die Royal Institution begann er seinen eigenen Teil zur

Wissenschaft beizutragen und stieg rasch auf, bis er 1833 Professor für Chemie an der

Royal Institution wurde. Mit großem Bemühen führte er seine Forschungen durch, die nicht

nur zu seiner Zeit als großartige Glanzleistungen angesehen wurden und bis heute von

Bedeutung sind. Ihm wurde der Vorsitz sowohl der Royal Society als auch der

Royal Institution angeboten ­ er lehnte ab. Als er schließlich 1867 starb galt er unter

seinen Zeitgenossen als einer der größten experimentellen Philosophen und als großartiger

Forscher. Die Methode Faradays, die Temperatur einer Flamme mit Hilfe eines Blattes Papier

sichtbar zu machen, mag aus heutiger Sicht wenig wissenschaftlich wirken. Dennoch

ist sie für die damalige Zeit so effektiv wie genial. Man muss diese Methode wohl

zu den ersten "bild-gebenden" Verfahren in der Verbrennungsforschung zählen.

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2. Verbrennung

5

2.2 Allgemeines

Unter Verbrennung versteht man allgemein die exotherme Umwandlung von Stoffen, das

heißt die Verbrennung unter Sauerstoff. Diese Oxidation von Stoffen findet immer unter

Freigabe thermischer Energie statt. Als Reaktionspartner stehen hier meist Kohlenstoff C,

Wasserstoff H2 oder eine Verbindung der beiden CxHy.

Die Formelgleichung würde dann folgendermaßen aussehen:

C

+

O2

CO 2

+

E thermisch

2 H

+

½ O2

H2O

+

E thermisch

CxHy

+

2xy O2

x CO 2 +

y/2 H2O

+

E thermisch

Damit diese Reaktionen überhaupt ablaufen können, muss sichergestellt sein, dass alle

Reaktionspartner auch miteinander reagieren können, was letztendlich über die Mechanismen

der Strömungsmechanik und der Wärme- und Stoffübertragung geschieht. Als nächstes folgt

die Einleitung der chemischen Reaktion, die so genannte Zündung. Bei der Zündung wird

eine bestimmte Energie benötigt um diesen Prozess überhaupt zu starten, da er in der Natur

nicht von selber abläuft. Die beiden Reaktionspartner müssen also zuerst auf einen erhöhten

energetischen Zustand gebracht werden, wie etwa ein erhöhtes Druck- oder

Temperaturniveau. Erst nach Erreichen

dieses erhöhten brennstoffspezifischen

Energiezustandes, der der Aktivierungsenergie entspricht, kann die Verbrennung von alleine,

also exotherm, ablaufen.

Die Aufbringung der Aktivierungsenergie kann dabei durch die Zufuhr von Wärme

(Zündflamme, Zündfunken) oder über eine Kompressions- oder Stoßwellen (vergleiche

Dieselmotor) erfolgen. Bei dem Einsatz von Katalysatoren wird nicht wie häufig

angenommen Energie zugeführt, sondern das Level der benötigten Aktivierungsenergie

herabgesetzt.

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2. Verbrennung

6

Man unterscheidet grundsätzlich drei Arten von Brennstofftypen: fest, flüssig und gasförmig.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Zusammensetzung. Homogene Brennstoffe

weisen eine gleichmäßige innere Struktur auf und sind mit einer chemischen Summenformel

darstellbar; wie zum Beispiel Methan (CH4), Wasserstoff (H2) oder Ethylalkohol (C2H5OH).

Heterogene Stoffe wiederum bestehen aus einer Mischung unterschiedlicher chemischer

Verbindungen, so dass eine genaue Angabe der Summenformel nahezu unmöglich ist. Als

Beispiele lassen sich hier Kohle, Benzin, Heizöl und Holz nennen.

Die

Geschwindigkeit

mit

der

eine

Verbrennung

abläuft,

d.h.

die

Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeit, hängt neben der brennstoffspezifischen chemischen

Reaktionsrate entscheidend von der Art ab, wie sich das brennbare Gemisch aus Brennstoff

und Sauerstoff (entweder aus der Luft oder einer sauerstoffreichen chemischen Verbindung)

bildet. Und es kommt noch die Frage nach der benötigten Aktivierungsenergie hinzu und

deren Höhe. Bei einer Zuführung der Aktivierungsenergie mittels Wärme- und

Stoffübertragungsmechanismen

wird

die

Verbrennungsgeschwindigkeit

vom

strömungsmechanischen Zustand des brennbaren Gemisches und somit auch vom Grad der

Turbulenz beeinflusst. Bei sehr geringem Turbulenzgrad wird von der laminaren

Brenngeschwindigkeit gesprochen, die im Bereich weniger Meter pro Sekunde liegt. In der

nachfolgenden Tabelle sind einige Beispiele aufgeführt.

Brennbares Gemisch

Laminare Verbrennungsgeschwindigkeit

[m/s]

H2 mit O2

9-11

H2 mit Luft

1,8

CO mit O2

0,72-1,08

CO mit Luft

0,18

CH4 mit O2

1,8

CH4 mit Luft

0,3-0,37

Mit der Zunahme des Turbulenzgrades innerhalb des brennbaren Gemisches kann die

Geschwindigkeit der Verbrennung schnell auf mehrer hundert Meter pro Sekunde ansteigen.

Abhängig ist dies von der Art des jeweiligen Brennstoffs und der Art des Sauerstoffträgers.

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2. Verbrennung

7

Erfolgt die Zuführung der Aktivierungsenergie allerdings per Kompressions- oder

Stoßwellen, die sich mit Schall- bzw. Überschallgeschwindigkeit durch das Gemisch

bewegen, können Flammenfortpflanzungsgeschwindigkeiten im Bereich von mehreren

Kilometern pro Stunde erreich werden. Diese Form wird allgemein als Detonation bezeichnet

und kommt meist in Verbrennungsmotoren zum Einsatz.

Ein weiterer Faktor der bei der Verbrennung speziell bei der Auslegung der Brennräume zu

beachten ist, ist die Frage nach der maximal auftretenden Verbrennungs- und

Flammentemperatur. Neben der Art des verwendeten Brennmaterials ist die Menge und Art

des Sauerstoffträgers für die Flammentemperatur entscheidend. Hier lässt sich grundsätzlich

sagen, dass bei der Verbrennung mit reinem Sauerstoff immer höhere Temperaturen auftreten

als bei der Verbrennung mit Luft. In der nachfolgenden Tabelle sind einige Beispiele für

gemessene Flammentemperaturen aufgeführt.

Brennstoff mit Sauerstoffträger

Max. Flammentemperatur

[°C]

H2 in O2

2660

H2 in Luft

2045

CO in O2

2100

CO in Luft

1925

CH4 in O2

2780

CH4 in Luft

1875

Um überhaupt eine Verbrennung einleiten zu können, muss sichergestellt sein, dass ein

brennbares Gemisch vorliegt. Was bedeutet, dass das Gemisch innerhalb der brennstoff- und

oxidationsmittelspezifischen Zündgrenzen liegt. Die Verbrennung von Wasserstoff mit Luft

kann zum Beispiel im Bereich 4 Volumenprozent Wasserstoff (entspricht der unteren

Zündgrenze) und 75 Volumenprozent (entspricht der oberen Zündgrenze) durchgeführt

werden. Anders als bei Wasserstoff ist der Bereich der Zündgrenzen bei Methan viel

schmäler, da hier die untere Zündgrenze bei 5 Volumenprozent liegt und die oberer Grenze

aber schon bei 15 Volumenprozent.

Ein ganz entscheidender Punkt bei der Verbrennung ist auch die qualitative und quantitative

Zusammensetzung des Gemischs. Gemeint ist hiermit die stoffliche und mengenmäßige

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