BERICHTE ZUR - beim Lehrstuhl für Technische Thermodynamik

Berichte zur
Energie- und Verfahrenstechnik Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Alfred Leipertz BEV
Schriftenreihe Heft 94.1
Dipl.-Phys. Thomas Seeger
Anwendungsvergleich von Vibrations- und Rotations-CARS in der technischen Verbrennung
Auf Grundlage experimenteller Untersuchungen werden Vibrations- und Rotations-CARS-Techniken
hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit in der technischen Verbrennung verglichen. Die Charakterisierung der bisher
wenig gebräuchlichen Rotations-CARS-Verfahren ist Schwerpunkt der Untersuchungen. Die vorgestellten
Ergebnisse beschränken sich auf die Temperatur- und Konzentrationsbestimmung bei atmosphärischen
Verbrennungsvorgängen.
Das verwendete CARS-System ist so konzipiert, daß mit geringen Modifikationen des Gesamtsystems dieses
sowohl für Vibrations- als auch für Rotations-CARS-Techniken genutzt werden kann. Auf Grund der zur
Analyse von Verbrennungsvorgängen notwendigen zeitlichen Auflösung wurde nur die sogenannte Breitband-
CARS-Technik eingesetzt. Die Systemüberprüfung wurde in einem Hochtemperaturofen durchgeführt, in dem
definiert Temperaturen von 300 K bis 2000 K eingestellt werden konnten. Auf diese Weise war eine
Beurteilung der verschiedenen CARS-Verfahren hinsichtlich Meßgenauigkeit und Standardabweichung
möglich.
Die technische Nutzbarkeit von Vibrations- und Rotations-CARS-Techniken wurde durch Untersuchungen an
einem turbulenten Vormischbrenner in Zusammenarbeit mit ASEA BROWN BOVERI am LTT-Erlangen
demonstriert. So konnte das Potential der eingesetzten Meßmethoden für die Temperaturbestimmung und die
Bestimmung der Konzentrationsanteile für N 2 und O 2 gezeigt werden.
Schriftenreihe Heft 94.2
Dipl.-Phys. Stefan Kampmann
Entwicklung einer zweidimensionalen Laser-Rayleigh-Temperaturmeßsonde zur Unter-
suchung hochturbulenter Verbrennungsvorgänge in einem industriellen Drallbrenner
In dem Bericht werden Messungen von zeitlich und räumlich hochaufgelösten Temperaturfeldern an einem industriellen
Drallbrenner innerhalb einer abgeschlossenen Brennkammer beschrieben. Aus den Ergebnissen
konnten die globalen Strukturen der hochturbulenten Methan/Luft-Flamme bei verschiedenen
Betriebsbedingungen bestimmt werden. Durch eine hohe Anzahl von Einzelmessungen an verschiedenen
Axialpositionen der reagierenden Strömung war es dabei möglich, das gesamte Verbrennungsfeld mit Hilfe
von Temperatur-Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen zu charakterisieren. Eine Aussage über die
Wechselwirkung zwischen turbulentem Strömungsfeld und chemischer Reaktion der Verbrennung erlaubte
die Messung der inneren Struktur der Verbrennung in Form von Flammenfrontdicken.
Einen bedeutenden Teil der beschriebenen Arbeit nahm die Entwicklung eines Meßsystems in Anspruch, das
auf Grundlage der Rayleigh-Streuung eine Temperaturbestimmung erlaubt. Störende Interferenzen des
Rayleigh-Signales mit Mie-Streulicht und laserinduzierten Reflexionen an Brennraumoberflächen konnten
durch geeignete konstruktive Maßnahmen reduziert werden. Im Laufe der Entwicklungsarbeit wurde durch
den Wechsel auf eine UV-Laserquelle hoher Leistung und die damit verbundene Erhöhung der
Signalphotonen die Genauigkeit der Temperaturbestimmung beträchtlich verbessert. Der simultane Einsatz
der Rayleigh-Temperatursonde mit einer im Bericht 94.1 beschriebenen CARS-Meßsonde erlaubte
Temperaturmessungen mit Genauigkeiten von 50 K. Um neben den Temperaturinformationen auch
Aussagen über die Stärke der ablaufenden Verbrennungsreaktionen zu erhalten, wurde eine Filteroptik
entwickelt, die es erlaubt, mit Hilfe einer Laserquelle und eines Kamerasystems simultan Temperaturfelder
und OH-Konzentrationverteilungen in dem Verbrennungsfeld zu bestimmen.