Neben optischer in-situ sind invasive ex-situ Messmethoden in der Verbren-nungsdiagnostik zur experimentellen Bestimmung von Flammencharakteris-tika weit verbreitet, da das Entnehmen von Gasprobe aus Flammen die Möglichkeit der gleichzeitigen Bestimmung multipler Komponenten bietet.
Besonders bei der Untersuchung von 1D laminaren Flammen, auch speziell in brennstoffreichen Flammen, ist der Einsatz invasiver Messtechniken wie Gaschromatographen (GC) und Massenspektrometern (MS) ein viel genutz-ter Ansatz. Einen Überblick über den Fortschritt und die Herausforderungen beim Einsatz von invasiver Messtechnik zur Ermittlung von Flammencharak-teristika liefert der Review-Artikel von Egolfopoulos et al. [72]. Im Nachfol-genden werden ausgewählte Arbeiten, welche sich mit der Untersuchung brennstoffreicher laminarer 1D Vormischflammen in Kombination mit GC und GC/MS Messungen beschäftigen, vorgestellt. Die Art und Anzahl der in diesen Arbeiten untersuchten Komponenten hängt von den verbauten Säulen und Detektoren des Systems ab. Für weiterführende Informationen bezüglich der Grundlagen der Gaschromatographie und Massenspektromet-rie wird auf die Lehrbücher von K. Dettmer-Wilde et al. [158] und O.D.
Sparkman [159] verwiesen.
Li et al. [18] untersuchten CH4/O2-Flammen an einem McKenna Brenner für Äquivalenzverhältnisse von 3,08 ≤ φ ≤ 3,64 mit dem Ziel der Ermittlung von Temperatur- und Spezieskonzentrationsprofilen. Die eingesetzten invasiven Messtechniken sind Thermoelemente zur Temperaturbestimmung und ein Massenspektrometer zur Ermittlung der Edukte, Hauptprodukte der Ver-brennung und höherer Kohlenwasserstoffe (KWS). Zur Probenentnahme wurde eine Quarzsonde mit einem Öffnungsdurchmesser von 0,5 mm eingesetzt.
Xu et al. [19] nutzten einen GC in Kombination mit einer Edelstahlsonde mit einem Öffnungsdurchmesser von 2,1 mm für die Untersuchung von C2H4/Luft-Flammen (2,34 ≤ φ ≤ 2,94) an einem McKenna Brenner. Es werden
Ex-situ Diagnostik mittels invasiver Probenentnahme Konzentrationsprofile der Edukte, Hauptprodukte und KWS gezeigt. Zur weiteren Charakterisierung der Flamme kamen optische Messtechnik (Rußvolumenbruch) und Thermoelemente zum Einsatz.
Melton et al. [80] untersuchten die Bildung von polyaromatischen Kohlen-wasserstoffen (PAK) und Ruß in CH4/O2/Ar-Flammen (2,0 ≤ φ ≤ 2,4) an einem McKenna Brenner. Neben den PAK wurden auch die Hauptprodukte und KWS mittels GC/MS bestimmt. Die Probenentnahme erfolgte mittels einer Quarzsonde mit Öffnungsdurchmesser von 0,1 mm.
Frenzel [79] verwendete eine Quarzsonde (Öffnungsdurchmesser von 1 mm), um unter anderem die Hauptprodukte der Verbrennung und KWS mittels GC in C2H4/O2/Ar Flammen bei Äquivalenzverhältnissen von 2,07 ≤ φ ≤ 2,37 an einem McKenna Brenner zu bestimmen. Weitere einge-setzte invasive Messtechniken zur Charakterisierung der Flammen waren das SMPS zur Bestimmung von Rußvolumenbrüchen und Thermoelement-messungen.
Dyakov et al. [160,161] untersuchten vorgemischte adiabate laminare 1D CH4/Luft und C2H6/Luft Flammen (0,7 ≤ φ ≤ 1,5), die an einem Heat-Flux-Brenner stabilisiert wurden. Zur Probenentnahme wurden mehrere Quarz-sonden (4 mm Innendurchmesser) mit Öffnungsdurchmessern von 0,9 mm bis 1,2 mm eingesetzt. Der Fokus der Untersuchungen lag in der Ermittlung von Konzentrationsprofilen der Permanentgase O2, CO2, CO und NO.
2.7.1 Einfluss der Sonde auf die Flammenstruktur
Eine zentrale Rolle bei der Ermittlung von Spezieskonzentrationen aus Flammen spielt die Wahl einer geeigneten Sonde zur Probenentnahme. Für GC/MS-Messungen werden hauptsächlich zwei Arten von Sonden einge-setzt.
Die erste Variante sind Sonden, welche für die Molekularstrahl-Massenspektrometrie (MBMS – „molecular beam mass spectrometry“) entwickelt wurden [162–165]. Eine detaillierte Übersicht über die Funktion
und den Einsatz von MBMS in der Verbrennungsforschung gibt die Arbeit von Biordi [166]. Bei dieser Methode wird eine mehrstufige Probenentnah-me genutzt, um einen Molekularstrahl zu erzeugen. Die Gasprobe wird mittels einer konischen Quarzsonde, mit typischen Öffnungsdurchmessern im Bereich von 100 µm, aus der Flamme entnommen. In der ersten Stufe wird durch eine Vakuumpumpe ein Druck von 10-3 bis 10-6 mbar eingestellt.
Auf Grund der Druckdifferenz zwischen Flamme und erster Stufe erfolgt das Quenchen der Gasprobe mittels Überschallexpansion. Über einen weiteren Konus gelangt die Probe dann in die zweite Kammer, welche einen Druck von 10-6 bis 10-7 mbar aufweist. [167] Der Einsatz des zweiten Konusses ermöglicht die Selektion des zentralen Molekularstrahls aus der Sonde für die Analyse. Dieser Ansatz der Probenentnahme ermöglicht neben der Ermittlung von Hauptkomponenten auch die Bestimmung von instabilen Spezies und Radikalen.
Die zweite Variante, die in dieser Arbeit eingesetzt wird, sind einstufige Mikrosonden. Im Gegensatz zu MBMS erfolgt das Abkühlen der Probe durch indirekte Wärmeabgabe (aktiv temperierte Sonde). Da in diesem Fall die Abkühlraten geringer sind, ist bei dieser Messtechnik die Ermittlung von Radikalen nicht möglich. Die Geometrien (Öffnungs- und Innendurchmesser) der in der Literatur eingesetzten Sonden unterscheiden sich stark. Diese reichen von sub-Millimeter Bereich [18,80] bis hin zu mehreren Millimetern [19,160,161].
In der Literatur wurde der Einfluss der Sonde auf die Charakteristika der Flamme wie das Strömungsfeld [168–170], die Flammentemperatur in unmittelbarer Umgebung der Sonde [163,170–174] und ermittelte Konzent-rationsprofile [163–165,172,175–186] detailliert untersucht. Des Weiteren wurden Ansätze zur Minimierung des Einflusses auf die Messergebnisse ermittelt. Im Nachfolgenden soll auf die Ergebnisse ausgewählter Arbeiten genauer eingegangen werden.
Der Einfluss der Sonde auf die Temperatur wurde von Struckmeier et al.
[163], Skovorodko et al [172], Korobeinichev et al. [173] und Biordi et al.
[174] mittels Thermoelementmessungen untersucht. Hierfür wurden Profile
Ex-situ Diagnostik mittels invasiver Probenentnahme der ungestörten Flamme mit Temperaturmessungen unmittelbar unter der Sondenspitze verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Einfluss der Sonde in der Flammenfront am größten ist. Hier werden Temperaturdifferenzen von 200 K [163] bis zu 600 K [172] beobachtet. In der Ausbrandzone sinkt die Differenz auf 100 K [163] bis 350 K [172]. Hartlieb et al. [171] nutzen NO- und OH-LIF zur berührungslosen Temperaturermittlung mit dem Ergebnis einer maximalen Differenz von 500 K in der Flammenfront. Numerische Untersuchungen von Gururanjan et al. [170] zeigten ebenfalls einen Tempe-raturabfall von mehreren 100 K durch das Einführen der Sonde in die Flam-me. Einflussfaktoren für den Temperaturabfall sind, dass die Sonde selbst als eine Wärmesenke fungiert und zusätzlich das Strömungsprofil im direkten Umfeld beeinflusst. Es ist dabei jedoch zu berücksichtigen, dass bei der Entnahme von Gasproben lediglich der Einfluss der Sonde auf den Bereich stromauf der Sondenspitze von Bedeutung ist.
Auch der Einfluss auf Konzentrationsprofile, welche mittels invasiver Pro-benentnahme ermittelt wurden, wurde ausgiebig untersucht. Struckmeier et al. [163] konnten eine Verschiebung des Konzentrationsprofils, von bis zu 3 mm, in Abhängigkeit des Öffnungsdurchmessers und Winkels des Konus beobachten. Gersaimov et al. [164], Korobeinichev et al. [186], Skovorodko et al. [172,175], McEnally et al. [177] und Frassoldati et al. [181] stellten bei dem Vergleich von experimentellen und numerischen Ergebnissen ebenfalls eine Verschiebung des Profils von 0,1 mm [186] bis hin zu 6 mm [177] fest.
Yi et al. [182] und Gersen et al. [180] verglichen Ergebnisse invasiver Pro-benentnahme mit absorptionsspektroskopischen Untersuchungen. Auch hier wurde eine Verschiebung von fünf Öffnungsdurchmessern der Sonde [182] bzw. 1,3 mm [180] festgestellt. Der Einfluss von Sonden auf das Kon-zentrationsprofil ist eng verknüpft mit der Änderung des Temperaturprofils.
Zusätzlich dazu ist jedoch das Quenchen von Radikalen (Rekombinationsre-aktionen) an der Sondenwand zu berücksichtigen [171,183]. Eine auftreten-de Verschiebung auftreten-des Konzentrationsprofils kann auf eine zu geringe Abkühl-rate der entnommenen Gasprobe im Inneren der Sonde zurückgeführt werden. Fortlaufende Reaktionen verändern die Gaszusammensetzung, was
besonders die Zusammensetzung im Bereich der Flammenfront (steile Gradienten) beeinflusst. Dies zeigen die Untersuchungen von Skovorodko et al. [172] und Struckmeier et al. [163]. Die steilen Gradienten der Flammen-front können mittels invasiver Probenentnahme nicht exakt aufgelöst werden und die Messergebnisse zeigen eine verbreiterte Flammenfront.
Diese Ergebnisse, der an einer Vielzahl von Flammen und Sonden durchge-führten Untersuchungen zeigen, dass die ideale Sonde zur invasiven Pro-benentnahme aus Flammen zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht entwickelt wurde [72]. Dies ist bei der Interpretation der Messergebnisse zu berück-sichtigen. Trotz der hier genannten Einflüsse können mittels invasiver Messtechnik ermittelte absolute Konzentrationsprofile sehr genau sein, wenn die durch die Sonde verursachten Effekte minimiert werden. Hier ist besonders der Öffnungswinkel der Sondenspitze zu erwähnen, welcher ausreichend klein (< 65°) sein sollte. Der Öffnungsdurchmesser der Sonde hingegen spielt nur eine untergeordnete Rolle [163].
3 Voruntersuchungen
In diesem Kapitel werden die Voruntersuchungen bezüglich der in dieser Arbeit untersuchten brennstoffreichen CH4/O2-Flammen detailliert be-schrieben. Dies beinhaltet die Auswahl geeigneter Reaktionsmechanismen, welche für einen Vergleich experimenteller und numerischer Ergebnisse und zur Auslegung der entwickelten Druckanlage eingesetzt wurden (Abschnitt 3.1). Zusätzlich wurde ein neuartiger Heat-Flux-Brenner (Abschnitt 3.2) zur experimentellen Ermittlung der laminaren Flammengeschwindigkeiten und zur Durchführung der atmosphärischen Versuchsreihen (Kapitel 5) entwi-ckelt. Bezüglich der eingesetzten Messtechnik werden die Entwicklung des TDLAS-Systems (Abschnitt 3.3) und die Bestimmung einer geeigneten Son-dengeometrie (Abschnitt 3.4) für den Einsatz der invasiven GC/MS Messun-gen beschrieben.