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Auswirkungen der Wasserstoff-Zumischung auf die Flammenstruktur turbulenter stratifizierter Methan-Luft-Flammen

Schneider, Silvan :
Auswirkungen der Wasserstoff-Zumischung auf die Flammenstruktur turbulenter stratifizierter Methan-Luft-Flammen.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Auswirkungen der Wasserstoff-Zumischung auf die Flammenstruktur turbulenter stratifizierter Methan-Luft-Flammen
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit wurde die Kodotierung von bis zu 40Vol.-% H2 zu CH4 -Luft-Flammen untersucht. Das Ziel war, detaillierte Informationen über den Einfluss der H2-Kodotierung und Stratifizierung auf das makroskopische Erscheinungsbild generischer Flammen sowie besonders auf deren Mikrostruktur zu gewinnen. Die experimentellen Ergebnisse liefern eine Datenbasis, die zur Validierung numerischer Modelle bereitsteht. Die Beimischung von H2 zu CH4 erscheint als ein realitätsnahes Szenario zum Übergang zu regenerativen Energien, da Wasserstoff als Energieträger aus überschüssigem regenerativ erzeugtem Strom gut verfügbar und Methan als Brennstoff bereits weit verbreitet ist. In der Arbeit wurden die verwendete messtechnische Methode (kombinierte Raman-/Rayleigh-/LIF-Spektroskopie) und die benutzten Prüfstände besprochen. Im Rahmen der Dissertation wurde ein neues Transmissionsspektrometer designt und aufgebaut. Es reduziert die Belichtungszeit um den Faktor 3,8 auf 3,4 µs (FWHM), erhöht die spektrale und räumliche Auflösung und bietet die Voraussetzung, komplexere Brennstoffe und Flammen mit höherer Lumineszenz zu untersuchen. Die Flammen zweier laminarer Brenner wurden experimentell untersucht. In der negativ gestreckten Flamme tritt im Unterschied zur ungestreckten Flamme zu Beginn der Flammenfront eine Anreicherung der Brennstoffe auf. Dies geschieht aufgrund der reduzierten Verbrauchsgeschwindigkeit der Brennstoffe. Das erhöhte C/H-Verhältnis deutet darauf hin, dass H2 aus dem Bereich des angereicherten Brennstoffes schneller wegdiffundieren kann als CH4 . Das bedeutet, dass bereits eine geringe negative Flammenstreckung eine erhebliche Abweichung der Speziesverläufe und damit der Flammenstruktur verursacht. Anschließend wurden vier turbulente Flammenkonfigurationen (MHF 5-8) vermessen. Diese umfassten vorgemischte und erstmals stratifizierte Fälle einschließlich einer Brennstoffreich-mager-Schichtung mit H2-Kodotierung. Die Flammen wurden zunächst nach makroskopischen Kriterien bewertet. Die genaue Charakterisierung erfolgte dann anhand von Radialprofilen der Skalardaten (chemische Spezieskonzentrationen und Temperaturen) in acht axialen Höhen über dem Brenner. Die größere Ausströmgeschwindigkeit in Ring 2 in den Fällen MHF 6 und 8 lässt den Flammenkegel schmaler werden und überwiegt Effekte der Turbulenz auf die Brenngeschwindigkeit. Die vorgemischten Fälle MHF 5 und 6 stabilisieren sich axial tiefer und bei größeren Radien als die stratifizierten Fälle MHF 7 und 8. Ihre Breite ist um bis zu 25 % größer. Dies ist durch die präferentielle Diffusion von H2 vom Frischgas in Ring 1 in Richtung des verbrannten Pilotgases verursacht. Dort reduziert sie lokal die Brenngeschwindigkeit und prägt makroskopisch die Form und die Wärmefreisetzung der Flammen. Am Schnittpunkt der Mischungsschicht zwischen Ring 1 und 2 und der mittleren Flammenposition wurde die Mikrostruktur der Flammen mittels Konditionierung auf das lokale Äquivalenzverhältnis untersucht. Mit Ausnahme von H2 sind die Speziesverläufe im Temperatur-Zustandsraum hauptsächlich eine Funktion des lokalen Äquivalenzverhältnisses. Die H2-Massenbrüche weichen im brennstoffreichen Gemisch im Vergleich zu laminaren 1-D-Rechnungen zu höheren Werten ab. Dies geschieht durch Diffusion von H2, wenn zwei Voraussetzung erfüllt sind: 1. Es müssen in der nahen Umgebung (±500 µm) brennstoffreichere Bereiche vorliegen. Nur dann existiert dort eine höhere H2 -Konzentration als Ursprungsort für H2. 2. Es muss dort ein Mangel an O2 herrschen, da sonst H2 direkt vollständig reagieren würde. Anschließend erfolgte eine doppelte Konditionierung der Messdaten (auf das Äquivalenzverhältnis und die lokale Stratifizierung). Der Verlauf des H2-Massenbruchs ist im Temperatur-Zustandsraum als einziger sensitiv auf den Grad der Stratifizierung. Je größer die Stratifizierung (∆φ/∆T), desto stärker sind die H2-Massenbrüche im mittleren Temperaturbereich (400 K < T < 1700 K) erhöht. Die Hauptaussage dieser Arbeit ist, dass mit Ausnahme von H2 der thermokinetische Zustand in den untersuchten Flammen durch das lokale Äquivalenzverhältnis weitestgehend beschreibbar ist. Der H2-Speziesverlauf dagegen ist zusätzlich eine Funktion des Äquivalenzverhältnisses der nächsten Umgebung und der lokalen Stratifizierung. Die gezeigten Unterschiede in der Mikrostruktur der Flammen beeinflussen durch ihre globalen Auswirkungen makroskopisch das Erscheinungsbild der Flammen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In the present work, the addition of up to 40% by volume of H2 to CH4 air flames was investigated. The aim was to obtain detailed information about the influence of H2-addition and stratification on the macroscopic appearance of generic flames and especially on their microstructure. The experimental results provide a database ready for validation of numerical models. The addition of H2 to CH4 appears to be a realistic scenario for the transition to renewable energies, as hydrogen is readily available as a source of energy from surplus regenerative electricity and methane is already widely used as a fuel. The used measurement technique (combined Raman / Rayleigh / LIF spectroscopy) and test benches were discussed. Within the work a new transmission spectrometer was designed and built. It reduces the exposure time by a factor of 3.8 to 3.4 μs (FWHM), increases the spectral and spatial resolution and provides the prerequisite for investigating more complex fuels and flames with higher luminescence. The flames of two laminar burners were investigated experimentally. In contrast to the unstretched flame at the beginning of the flame front, enrichment of the fuels occurs in the negatively stretched flame. This happens due to the reduced consumption rate of the fuels. The increased C / H ratio indicates that H2 can diffuse away faster from the enriched fuel area than CH4. This means that even a slight negative flame stretch causes a significant deviation of the species profiles and thus the flame structure. Subsequently, four turbulent flame configurations (MHF 5-8) were measured. These included premixed and initially stratified cases including fuel rich lean stratification with H2 caddition. The flames were first evaluated according to macroscopic criteria. The exact characterization was then carried out using radial profiles of the scalar data (chemical species concentrations and temperatures) at eight axial heights above the burner. The higher outflow velocity in ring 2 in cases MHF 6 and 8 makes the flame cone narrow and outweighs turbulence effects on burning rate. The premixed cases MHF 5 and 6 stabilize axially lower and at larger radii than the stratified cases MHF 7 and 8. Their width is up to 25% greater. This is caused by the preferential diffusion of H2 from the fresh gas in ring 1 in the direction of the burned pilot gas. There, it locally reduces the burning rate and macroscopically characterizes the shape and heat release of the flames. At the intersection of the mixture layer between ring 1 and 2 and the mean flame brush, the microstructure of the flames was examined by conditioning for the local equivalence ratio. With the exception of H2, the species trajectories in the temperature state space are mainly a function of the local equivalence ratio. The H2 mass fractions in the fuel-rich mixture deviate to higher values compared to laminar 1-D calculations. This is a result of diffusion of H2, if two conditions are fulfilled: 1. There must be fuel-rich areas in the near environment (± 500 μm). Only then does a higher H2 concentration exist as the place of origin for H2. 2. There must be a lack of O2 there, otherwise H2 would react completely. This was followed by a double conditioning of the measured data (on the equivalence ratio and the local stratification). The trajectory of the H2 mass fraction is the only one sensitive to the degree of stratification in the temperature state space. The greater the stratification (Δφ / ΔT), the more the H2 mass fractures are increased in the middle temperature range (400 K <T <1700 K). The main conclusion of this work is that with the exception of H2, the thermokinetic state in the investigated flames is largely describable by the local equivalence ratio. In contrast, the H2 species course is additionally a function of the equivalence ratio of the next neighborhood and the local stratification. The differences shown in the microstructure of the flames macroscopically influence the appearance of the flames through their global effects.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Reactive Flows and Diagnostics (RSM)
Date Deposited: 05 Dec 2017 11:57
Last Modified: 05 Dec 2017 11:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-69774
Referees: Dreizler, Prof. Dr. Andreas and Hasse, Prof. Dr. Christian and Geyer, Prof. Dr. Dirk
Refereed: 14 November 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6977
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