Experimentelle Bestimmung der Stabilitätsgrenzen von Drallbrennern

INHALTSVERZEICHNIS

1 Motivation

2 Verbrennung
2.1 Einleitung
2.2 Allgemeines
2.3 Arten von Flammen
2.3.1 Turbulente Flammen
2.3.2 Laminare Flammen
2.3.3 Diffusionsflamme
2.3.4 Vormischflamme

3 Inbetriebnahme

4 Versuchsdurchführung
4.1 Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Köpfe
4.2 Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Schlitzlängen
4.3 Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Düsen
4.3.1 Einfluss der hohen Düse (Düse 3)
4.3.2 Einfluss der roten Düse (Düse 1)
4.3.3 Vergleich der verschiedenen Düsen
4.4 Untersuchung des Einflusse eines anderen Drallerzeugers
4.5 Ideale Konfiguration für Wasserstoff

5 Umbau des Versuchsstandes und des Drallerzeugers

6 Herunterfahren des Versuchsstandes

7 Probleme bei der Versuchsdurchführung

8 Zusammenfassung

9 Literaturverzeichnis

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.

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]

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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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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.

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:

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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.

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.

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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.

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.

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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 Rauchgaszusammensetzung. Generell lässt sich sagen, dass die Rauchgaszusammensetzung nicht nur von dem Brennstoffgemisch sondern auch von der Art des Sauerstoffträgers abhängt. Es sind aber auch die maximal auftretenden Verbrennungstemperaturen sowie die Verweildauer in der Brennkammer entscheidend für den Ausbrandgrad und damit den Anteil an unverbrannten bzw. teilverbrannten Brennstoffbestandteilen im Rauchgas. Als Beispiel lässt sich hier der Anteil an durch unvollständige Verbrennung von Kohlenstoff gebildetem Kohlendioxid nennen. Bei manchen Verbrennungsprozessen wird z.B. brennstoffgebundener Stickstoff und der in der Luft natürlich vorkommende Stickstoff in ganz geringen Mengen zu Stickoxiden (NOx) aufoxidiert. [2]

2.3 Arten von Flammen

Bei der Verbrennung gasförmiger Brennstoffe unterscheidet man prinzipiell zwischen zwei Typen von Flammen: Vorgemischte und nicht-vorgemischte Flammen. Die Flammenstruktur kann dabei bei beiden sowohl laminar als auch turbulent sein. Die Charakterisierung vorgemischter Flammen wird über das Mischungsverhältnis von Brennstoff und Oxidator, sowie über die Strömung getroffen. Die Mischung von Brennstoff und Oxidator findet dabei außerhalb der eigentlichen Reaktionszone statt. Der entscheidende Vorteil dieser vorgemischten Flammen liegt in der leichten Einstellbarkeit des Brennstoff/Luft-Verhältnisses. Dagegen wirkt sich allerdings deutlich nachteilig aus, dass es bei Flammengeschwindigkeiten, die größer als die Ausströmgeschwindigkeit sind, durchaus zu einem Flammenrückschlagen kommen kann, was eine erhöhte Explosionsgefahr mit sich bringt. Im Gegensatz dazu entsteht bei nicht- vorgemischten Flammen das brennfähige Gemisch erst im Verbrennungsraum durch Zusammenführen von Brennstoff und Verbrennungsluft. Eine Gefährdung durch Flammenrückschlag kann so vermieden werden. Aus diesem Grund finden in technischen Anwendungen oft nicht-vorgemischte Flammen ihre Verwendung. Bei industriellen Verbrennungsanlagen wird das Brenngemisch aus Gas und Verbrennungsluft dazu im Verbrennungsraum z.B. durch Verdrallung an einem Ausströmgitter möglichst rasch gemischt. Ort und Form der Verbrennungszone wird dabei durch Strömungs- und Diffusionsprozesse bestimmt. Ein Beispiel für den Fall eines laminaren Brenners mit ausgeprägter Trennung von Brennstoff und Oxidator ist z.B. der Gegenstrom-Diffusionsbrenner. [3]

2.3.1 Turbulente Flammen

Die Ausbreitung einer Flammenfront in einem turbulenten homogenen Kraftstoff-Luft- Gemisch wird durch zwei wesentliche Mechanismen beeinflusst. Zum einen die Reaktionskinetik und die daraus resultierende laminare Brenngeschwindigkeit. Zum anderen die turbulente Strömungsbewegung, die durch die Turbulenzintensität charakterisiert wird. Ein zentraler Parameter der turbulenten vorgemischten Verbrennung ist daher die Relation zwischen diesen beiden Effekten, welche normalerweise durch ein Geschwindigkeitsverhältnis wiedergegeben wird. Die Fähigkeit des turbulenten Strömungsfeldes, die turbulente Flammenausbreitung zu beeinflussen, wird darüber hinaus durch das Verhältnis charakteristischer Längenskalen von Strömungsfeld und laminarer Flamme beschrieben. [4]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Turbulente Vormischflamme [5]

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