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Eine neue optische Methode zur Messung der Wärmestromdichte in laminaren Methan-Luft-und Wasserstoff-Methan-Luft-Staupunktflammen auf der Basis thermo-graphischer Phosphore

Elmnefi, Mohamed Salem

In der vorliegenden Arbeit wurde eine neue optische Methode zur Untersuchung der Wärmeübertragung bei ebenen eindimensionalen Flammen in Stau-punktgeometrie eingesetzt. Untersucht wurden vorgemischte Methan-Luft- und Wasserstoff-Methan-Luft-Flammen und der Einfluss des Abstands von Brenner zu Platte sowie der Geschwindigkeit der Frischgasmischung auf die Wärmeübertragung. Mittels Licht-induzierter Phosphoreszenz von thermographischen Phosphoren wurde die Oberflächen-temperatur gemessen. Aus den Oberflächentemperaturen konnte anschließend die Wärmestromdichte durch eine Keramikplatte, die von der einen Seite mit Wasser gekühlt und von der anderen Seite mit der 1-dimensionalen Flamme beheizt wurde, berechnet werden.Die untersuchten Flammen waren stöchiometrische, magere und brennstoffreiche Methan-Luft-Flammen mit Äquivalenzverhältnissen von φ=1, φ=0,75 und φ=1,25, sowie stöchio-metrisch-laminare Wasserstoff-Methan-Luft-Flammen mit 10%, 25%, 50% und 75% Wasser-stoff in Methan, sowie reine Wasserstoffflammen. Der zentrale Teil des Aufbaus ist eine Platte aus Aluminiumoxid-Keramik, die von beiden Seiten mit chrom-dotiertem Aluminium-oxid (Rubin) beschichtet ist. Diese wurde auf der Flammenseite mit einem Nd:YAG-Laser (532 nm) oder einer Licht-emittierenden Diode (LED) (530 nm) und auf der Wasserseite mit einer LED (530 nm) zur Phosphoreszenz angeregt. Mit dieser Messmethode kann die Wandtemperatur von beiden Seiten gemessen und die Wärmestromdichte durch die Platte berechnet werden, die Genauigkeit des Verfahrens wird diskutiert und ist relativ hoch. Die Austrittsgeschwindigkeit der Gase wurde von 0,1 bis 1,2 m/s variiert. Der Abstand zwischen Brenner und Platte war 0,5 bis 2-mal so groß wie der Brennerdurchmesser (d=30 mm). Die berechneten Wärmestromdichten zeigen die Änderung des Flammenstabilisierungs-mechanismus von einer brennerstabilisierten zu einer stauplattenstabilisierten Flamme. Die Ergebnisse wurden mit den Resultaten der Modellrechnung einer 1-dimensionalen Stau-punktströmung mit detailliertem Reaktionsmechanismus verglichen. Um die Modellrechnung zu überprüfen, werden auch gemessene Gasphasentemperaturen einer stöchiometrischen Staupunktflamme mittels OH-LIF diskutiert. Es stellt sich heraus, dass mit der Vergrößerung des Massenflusses, sich der Flammenstabilisierungsmechanismus ändert und mit ihm die Wärmestromdichte zunimmt. Damit sollte dieser Versuchsaufbau auch für weitere Untersuchungen der Flamme-Wand-Interaktionen geeignet sein.

In the present study, a new optical method was implemented to study the heat transfer from flat stagnation point flames which can be regarded as one-dimensional in the central part. Premixed methane-air flames and hydrogen-methane-air flames were investigated. The effects of burner-to-plate distance and the fresh gas mixture velocity on heat transfer were examined. Experiments were performed using light induced phosphorescence from thermographic phosphors to study the wall temperatures and heat fluxes of nearly one-dimensional flat premixed flames impinging upward normally on a horizontal water cooled circular flat plate. The investigated flames were stoichiometric, lean and rich laminar methane/air flames with different equivalence ratios of φ =1, φ = 0.75 and φ = 1.25 and stoichiometric laminar hydrogen/methane/air flames. Mixtures of air with 10, 25, 50 and 75 % hydrogen in methane (CH4) as well as a pure hydrogen flames at ambient pressure were investigated. The central part of this plate was an alumina ceramic plate coated from both sides with chromium doped alumina (ruby) and excited with a Nd:YAG laser or a green light emitting diode (LED) array to measure the wall temperature from both sides and thus the heat flux rate from the flame. The outlet velocity of the gases was varied from 0.1 m/s to 1.2 m/s. The burner to plate distance ranged from 0.5 to 2 times the burner exit diameter (d = 30 mm).The accuracy of the method was evaluated. The measured heat flux indicate the change of the flame stabilization mechanism from a burner stabilized to a stagnation plate stabilized flame. The results were compared to modeling results of a one dimensional stagnation point flow, with a detailed reaction mechanism. In order to prove the model, also measured gas phase temperatures by OH LIF for a stoichiometric stagnation point flame were discussed. It turns out that the flame stabilization mechanism and with it the heat fluxes change from low to high mass fluxes. This experimental setup should be well suited for further studies of the flame wall interaction.

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Elmnefi, Mohamed Salem: Eine neue optische Methode zur Messung der Wärmestromdichte in laminaren Methan-Luft-und Wasserstoff-Methan-Luft-Staupunktflammen auf der Basis thermo-graphischer Phosphore. 2010.

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