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Ruß-Diagnostik in laminaren vorgemischten Hochdruckflammen : Kombination von laserinduzierter Inkandeszenz (LII) mit optischen und konventionellen diagnostischen Methoden

Leschowski, Martin

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Anwendung des berührungslosen Partikel-diagnostischen Verfahrens der laserinduzierten Inkandeszenz (LII) in vorgemischten Hochdruckflammen (1–30 bar) untersucht. Dabei werden im Wesentlichen zwei Fragen beantwortet: Ist der von Mel-ton [1] postulierte lineare Zusammenhang zwischen der maximalen LII-Signalintensität und dem Rußvolumenbruch auch für Hochdruck-Anwendungen gültig und wie stark abhängig sind die durch zeitaufgelöste LII (TiRe-LII) bestimmten Partikelgrößen vom angenommen Wärmeleitungsmodell, der Aggregation und der Partikelgrößenverteilung? Zur Beantwortung der ersten Frage wird der durch LII bestimmte Rußvolumenbruch mit Ex-tinktionsmessungen verglichen. Um die Vergleichbarkeit beider Verfahren zu gewährleisten werden beide Messverfahren zunächst an der nicht-vorgemischten Flamme eines Gülder-Brenners bei Atmosphärendruck verglichen. Dabei wird die Extinktion bei verschiedenen Wellenlängen angewendet und in mehreren Bereichen der Flamme untersucht. Da selbst die längste verwendete Extinktionswellenlänge (825 nm) noch Absorption an Rußvorläufern zeigt, wird als Schlussfolgerung für die Hochdruck-Messungen ein Bereich in der Flamme ausgewählt, in dem keine Rußvorläufer mehr vorhanden sind. Die Ergebnisse zeigen eine starke Abhängigkeit des durch LII bestimmten Rußvolumenbruchs von der Abschwächung des Inkandeszenz-Signals durch den Flammenruß auf dem Weg zum Detektor. Nach der Korrektur bezüglich Reabsorption stimmen beide Verfahren jedoch gut überein, sodass ge-zeigt werden kann, dass der beschriebene lineare Zusammenhang zwischen LII-Signalintensität und Rußvolumenbruch auch im Hochdruck gültig ist. Zur Anwendung der Absorptions-Korrektur ohne zusätzliche Messverfahren ist jedoch Wissen über den generellen Trend der Rußverteilung im untersuchten Objekt notwendig. Es wird jedoch auch gezeigt, dass der beobachtete Effekt der Signal-Reabsorption nur relevant wird, wenn zugleich hohe Rußkonzentrationen und große Dicken der Rußzone (Weg zum Detektor) vorhanden sind. So bewirkt beispielsweise eine Rußkonzentration von 10 ppm bei einer Dicke der Rußzone von 1 mm lediglich eine Signal-Reabsorption von 10%. Jedoch tritt Rußbildung in der Regel an nicht-vorgemischten Flammen auf und diese besitzen deutlich weniger dicke Rußzonen. Zur Beantwortung der zweiten Frage werden die zeitaufgelösten Signale der Laserinduzierten Inkandeszenz (TiRe-LII) ausgewertet und die resultierenden Partikelgrößen mit TEM-Messungen an Rußproben verglichen. Hierfür wurde ein neuartiges Probenahme-System für Hochdruckflammen entwickelt und umfassend charakterisiert. Für die Bestimmung der Parti-kelgrößen durch TiRe-LII werden verschiedene Wärmeleitungsmodelle mit und ohne Aggre-gation bzw. polydisperser Größenverteilung angenommen. Der Vergleich zeigt eine fast per-fekte Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen von LII und TEM für 16–20 bar unter An-nahme des Fuchs-Modells (inkl. Aggregation und polydisperser Verteilung) und einer sehr guten Übereinstimmung für 1–10 bar unter Annahme des freimolekularen Modells. [1] L. A. Melton, "Soot diagnostics based on laser heating," Appl. Opt. 23, 2201-2208 (1984).

In this work, the application of the non-intrusive particle diagnostics method laser-induced incandescence (LII) is investigated in premixed high-pressure flames at 1–30 bar. Two ques-tions will be answered: Is the linear relationship between the maximum LII signal intensity and the soot volume fraction postulated by Melton [1] valid also for high pressure applications and how strongly does the particle-size measurement with time-resolved LII (TiRe-LII) depend on the heat conduction model, aggregation, and the particle-size distribution? To answer the first question, the soot volume fraction determined with LII is compared to the result of extinction measurements. To ensure comparability, both methods are first applied to measurements in a non-premixed flame of a Gülder burner at atmospheric pressure. Extinc-tion measurements are carried out with various wavelengths and in several regions of the flame. Since even the longest extinction wavelength used (825 nm) is also affected by ab-sorption of soot precursors, for the high-pressure measurements an area in the flame is se-lected, where no soot precursors are present. The results show a strong dependence of the soot volume fraction determined by LII on the attenuation of the incandescence signal by soot on the way to the detector. After correction for reabsorption, both methods are in good agreement and the described linear relationship between LII signal intensity and soot volume fraction is fund to be valid even at high pressure. For the application of the absorption correc-tion without a complementary measurement, knowledge of a general trend of the distribution of the soot volume fraction in the investigated object is necessary. It is also shown that the observed effect of the signal attenuation is only relevant if both high soot concentrations and an extended area of the soot zone (along the signal path towards the detector) are present. For example, a soot concentration of 10 ppm at a soot zone thickness of 1 mm results in sig-nal reabsorption of only 10%. However, soot occurs mostly in non-premixed flame and these have significantly less thick soot zones. To answer the second question, time-resolved signals of laser-induced incandescence (TiRe-LII) are investigated and the resulting particle size is compared to results from soot samples investigated with TEM. For this purpose, a new sampling system for high-pressure flames was developed and characterized. For the analysis of TiRe-LII signals, different heat-conduction models are assumed with or without aggregation or polydisperse size distribution. The comparison shows an almost perfect agreement between the LII and TEM results for pressures between 16 and 20 bar assuming the Fuchs model (incl. aggregation and polydis-perse distribution) and a very good agreement for pressures at 1 to 10 bar assuming the free molecular model. [1] L. A. Melton, "Soot diagnostics based on laser heating," Appl. Opt. 23, 2201-2208 (1984).

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Zitierform:

Leschowski, Martin: Ruß-Diagnostik in laminaren vorgemischten Hochdruckflammen. Kombination von laserinduzierter Inkandeszenz (LII) mit optischen und konventionellen diagnostischen Methoden. 2016.

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