Der Einsatz von laminaren Modellbrennern bzw. -flammen bei der Untersu-chung von Verbrennungsprozessen ist weit verbreitet. Der Vorteil ist die Schaffung von definierten Randbedingungen, was beim Verständnis einer Vielzahl von Phänomenen hilft, welche unter turbulenten Bedingungen möglicherweise nicht zugänglich sind [72].
Barlow et al. [73] geben einen Überblick über eine Vielzahl der in der Litera-tur eingesetzten Modellbrenner und -flammen. Diese unterscheiden sich hauptsächlich durch:
• Brennstoff/Oxidator-Mischung (vorgemischte, teil- und nicht-vorgemischte Flammen)
• Räumliche Ausdehnung (1D-, 2D- oder 3D-Flammen)
• Stationarität (stationär oder instationär)
Die in dieser Arbeit genutzten Modellflammen sind vorgemischte, laminare, adiabate, eindimensionale, stationäre brennerstabilisierte Flammen. Die Untersuchung solcher Flammen bietet den Vorteil, dass die physikalischen
Laminar vorgemischte Modellflammen Zustandsgrößen nur eine Funktion der Ortskoordinate in Strömungsrichtung sind und keine Gradienten in radialer Richtung aufweisen. Das Bezugssystem wird dabei so gewählt, dass der Ursprung der Oberfläche der Brennerplatte entspricht und wird mit HAB (‚height above burner‘, Höhe über Brennerplat-te) abgekürzt. Die Struktur einer laminaren 1D Vormischflamme ist anhand von Konzentrations- (Edukte und Hauptprodukte der Verbrennung) und Temperaturprofilen in Abbildung 5 für eine unterstöchiometrische CH4/O2 -Flamme (φ = 2,9, TV = 300 K und p = 1 bara) dargestellt.
Abbildung 5: Berechnete (CalTech2.3) Temperatur- und Konzentrationsverläufe einer laminaren eindimensionalen CH4/O2-Vormischflamme bei φ = 2,9, TV = 300 K
und p = 1 bara.
Die Struktur einer laminaren 1D Vormischflamme kann in drei Zonen unter-teilt werden: Vorwärm-, Reaktions- und Ausbrandzone. In der Vorwärmzone werden die Edukte mittels konduktiven Wärme- und Stofftransports (Radi-kale) aus der Reaktionszone bis zum Erreichen der Zündtemperatur er-wärmt. In der anschließenden Reaktionszone findet die chemische Umset-zung der Edukte in die Produkte statt. Diese stark exothermen Reaktionen
führen zu großen Gradienten im Anstieg der Temperatur und der Konzentra-tionsprofile. Nach Ablauf des Großteils der Reaktionen flachen die Gradien-ten (Temperatur und Konzentration) in der Ausbrandzone ab, welche im Falle von brennstoffreichen Gemischen besser als Reformierzone bezeichnet wird. [74–77]
Besonderheiten in der Struktur von extrem brennstoffreichen laminaren 1D Vormischflammen werden in Abschnitt 2.5 detailliert diskutiert.
Im Nachfolgenden wird auf zwei Modellbrenner (McKenna und Heat-Flux-Brenner - HFB) genauer eingegangen. Für eine Übersicht über weitere Modellbrenner und –flammen wird auf die Arbeit von Stelzner [4] verwie-sen.
Der Einsatz von McKenna-Brennern [78] ist unter anderem in der Rußfor-schung (z.B. [79–81]) weit verbreitet. Das Herzstück eines solchen Brenners ist eine poröse, gesinterte Bronzeplatte mit einem Durchmesser von 60 mm.
In der gesinterten Struktur ist ein spiralförmiges Rohr zur Kühlung des Brennerkopfes mittels Thermoöl oder Wasser integriert. Über einen äuße-ren Ringspalt ist ein Hüllstrom zum Schutz der Flamme in den Bäuße-renner integriert. Der Brenner ist für Kaltgasgeschwindigkeiten ab 10 cm/s ausge-legt [78]. Untersuchungen von Frenzel [79] zeigten, dass der Brenner auch bei Geschwindigkeiten von 5 cm/s eine in axialer Richtung eindimensionale Flamme ausbildet und daher auch für Kaltgasgeschwindigkeiten < 10 cm/s geeignet ist. Die aktive Kühlung des Brennerkopfes begünstigt den Wär-mestrom von der Flamme hin zur Brennerplatte, wodurch keine adiabaten Zustände erreicht werden können.
Ein weiterer Modellbrenner zur Erzeugung flacher vorgemischter Flammen ist der von van Maaren und deGoey entwickelte Heat-Flux-Brenner [82,83].
Dieser kann als eine Weiterentwicklung der von Powling [84] sowie von Botha und Spalding [85] entwickelten Flachflammenbrenner zur Ermittlung von laminaren Flammengeschwindigkeiten 𝑠𝐿 angesehen werden. Wie bei dem McKenna-Brenner, stabilisiert sich die Flamme mittels Wärmeabgabe an die Brennerplatte. Diese ist mit einem hexagonalen Bohrungsmuster mit
Laminar vorgemischte Modellflammen Durchmesser dB = 0,5 mm und dem Abstand zwischen zwei Bohrungen s = 0,7mm versehen. Der Unterschied zu den vorherigen Ansätzen ist die Temperierung der Brennerplatte auf eine Temperatur (Δ𝑇 ≥ 60 𝐾) über der des Frischgases. Das unverbrannte Gasgemisch wird beim Durchströmen der Brennerplatte erwärmt, wodurch die Wärmeabfuhr der Flamme an die Brennerplatte kompensiert werden kann. Das Prinzip der Heat-Flux-Methode zur Messung von sL unter adiabaten Bedingungen ist die Bestim-mung des Netto-Wärmestroms der Flamme an den Brenner. Dabei ist die variable Größe die Frischgasgeschwindigkeit 𝑢𝐹𝑟𝑖𝑠𝑐ℎ𝑔𝑎𝑠, die so angepasst wird, dass kein netto Wärmestrom beobachtet wird. Im Gegensatz zu anderen Flachflammenbrennern ist es möglich, adiabate eindimensionale Flammen an einem HFB zu stabilisieren.
a) b)
Abbildung 6: Funktionsprinzip der Heat-Flux-Methode, nach [86]. a) Vergleich von Tempera-turprofilen einer frei brennenden (durchgezogene Linie) und einer am Heat-Flux-Brenner stabilisierten adiabaten Flamme. b) Strömungsprofil (links) und
Enthalpieströme in der Brennerplatte eines HFB.
Abbildung 6 a) zeigt den Vergleich der Temperaturprofile einer adiabaten frei brennenden Flamme Tfrei (durchgezogene Linie) mit der an einem Heat-Flux-Brenner stabilisierten adiabaten Flamme Tst (gestrichelte Linie) für
uFrischgas = sL. Aufgetragen ist die Temperatur über der Ortskoordinate x.
Die Brennerplatte erstreckt sich von x = 0 bis x = xBr. Das Temperaturprofil der Brennerplatte TBr ist als durchgezogene gerade Linie gekennzeichnet.
Abbildung 6 b) zeigt einen Ausschnitt aus der Brennerplatte. Im linken Teil sind Stromlinien des Gases skizziert und im rechten Teil die in der Brenner-platte auftretenden Wärmeströme. Daraus ergibt sich der Gradient der Temperatur der temperierten Brennerplatte. Am flammenseitigen Ende der Brennerplatte überwiegt der Wärmetransport von der Flamme an die Brennerplatte, was eine Erhöhung der Temperatur mit sich führt. Am frisch-gasseitigen Ende findet eine Wärmeabgabe an das Frischgas statt.
Ein Vergleich der Temperaturprofile Tfrei und Tst zeigt nur im Bereich der Brennerplatte selbst Unterschiede. Aufgrund der höheren Temperatur der Brennerplatte erwärmt sich das Frischgas bereits vor Eintritt in die Brenner-platte leicht und erwärmt sich beim Durchströmen auf die Austrittstempera-tur. Durch den zusätzlichen Wärmestrom von der Flamme hin zur Brenner-platte und an das Frischgas am BrennerBrenner-plattenaustritt übersteigt die Frischgastemperatur am Austritt die Temperatur der Brennerplatte. Strom-ab der Brennerplatte gleichen sich die Temperaturprofile der adiStrom-abaten frei brennenden und der brennerstabilisierten adiabaten Flamme.
Der adiabate Zustand wird durch die Ermittlung des radialen Temperatur-profils der achsen-symmetrischen Brennerplatte bestimmt. Hierfür werden Thermoelemente spiralförmig über die Brennerplatte verteilt. Für 𝑢𝐹𝑟𝑖𝑠𝑐ℎ𝑔𝑎𝑠≠ 𝑠𝐿 ergibt sich ein parabelförmiges Temperaturprofil in der Brennerplatte. Der Parabelkoeffizient 𝛼2 nimmt, je nach Abstand der Flam-me zur Brennerplatte, positive oder negative Werte an und gibt Auskunft
Chemie extrem brennstoffreicher Vormischflammen und super-adiabate Flammentemperaturen im System Flamme, Brennerplatte und Frischgas zu beobachten. Die bren-nerstabilisierte Flamme ist somit adiabat.
Für weiterführende Informationen bezüglich der Anwendungen der Heat-Flux-Methode wird auf die Arbeiten von van Maaren [82,83,87] und Bos-schaart [88,89] verwiesen.
Der Einsatz der Heat-Flux-Methode zur Ermittlung von laminaren Flammen-geschwindigkeit von gasförmigen und flüssigen Brennstoffen ist weit ver-breitet. Beispiele hierfür sind: [83,86,87,89–99].
Neben der Ermittlung der laminaren Flammengeschwindigkeiten eignet sich der HFB ebenfalls zur Ermittlung von Temperatur- und Konzentrationsprofi-len in adiabaten Flammen mit definierten Randbedingungen. Für diesen Fall ist ein direkter Vergleich mit 1D Simulationen frei brennender Flammen und somit eine Validierung von unterschiedlichen Reaktionsmechanismen möglich.