DE4416270A1

DE4416270A1 - Optimierung von turbulenten Verbrennungs- und Mischprozessen durch gezielte Zugabe von Substanzen

Info

Publication number: DE4416270A1
Application number: DE19944416270
Authority: DE
Inventors: Peter L Prof Dr Andresen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-05-07
Filing date: 1994-05-07
Publication date: 1995-11-09

Description

Bekannt ist, daß eine gezielte Beeinflussung der turbulenten Vermischung, die in vielen technischen Mischeinrichtungen (z. B. turbulente Vermischung in chemischen Reaktoren, Einspritzsysteme für Heizungs- oder Kraftwerksbrenner, Triebwerke) verwendet wird, schwierig ist. Theoretische Rechnungen (z. B. CFD codes) liefern wegen der schwierig zu behandelnden Turbulenz (und insbesondere der Wechselwirkung der Turbulenz mit der Chemie) heute nur in sehr einfachen Fällen eine zuverlässige Vorhersage für die örtliche und zeitliche Verteilung der sich vermischenden Gase über das turbulente Strömungsfeld. In der Praxis wird der Einfluß der Veränderung der Mischvorrichtungen daher nicht über eine genaue Überprüfung der örtlichen oder zeitlichen Zuordnung bestimmt. Statt dessen werden, auf der Basis der "Vorstellung über die Abläufe" im turbulenten (u. U. reaktiven) Strömungsfeld, Änderungen an der Mischvorrichtung vorgenommen und die Auswirkung der Änderung auf z. B. Schadstoffbildung und Verbrennungseffizienz überprüft. Auf diese Weise wird z. B. nur in wenigen Fällen ein lokal homogener Ausbrenngrad erzielt.¹ In den Abb. 2 bzw. 3 sind - gemittelte - Messungen der örtlichen Verteilung verschiedener Substanzen gezeigt, die die - zeitlich gemittelte - Inhomogenität des turbulenten Strömungsfeldes belegen und zeigen, daß gemittelt inhomogene Strukturen übrig bleiben. Abb. 2 zeigt die Ergebnisse in einem Ölheizungsbrenner, Abb. 3 in einem Wasserstofftriebwerk bei der DLR in Köln.

Die Kenntnis z. B. von solchen örtlichen und/oder zeitlichen Inhomogenitäten ist die Voraussetzung für gezielte Eingriffe in die Abläufe im turbulenten Strömungsfeld. Dieser gezielte Eingriff wird möglich durch (a) die örtliche und oder zeitliche Ermittlung der "nicht gewünschten Eigenschaften" im turbulenten (u. U. reaktiven) Strömungsfeld (inhomogene Vermischung der Reaktanden, Temperaturprofile, lokal unvollständiger Ausbrenngrad, erhöhte NO_x-Bildung) (b) die Zugabe einer Testsubstanz an einem Ort (x, y, z) zur Ermittlung der örtlichen und/oder zeitlichen Verteilung dieser Testsubstanz über das turbulente (u. U. reaktive Strömungsfeld, und (c) die gezielte Zugabe von aktiven Substanzen, die die Abläufe örtlich und/oder zeitlich beeinflussen oder entsprechende andere Maßnahmen zur Verbesserung (gezielte Änderungen an Mischvorrichtungen, Durchflüssen, äußerer Geometrie oder örtlicher Kühlung), auf der Basis der Erkenntnisse, die in (a) und (b) gewonnen wurden.

Wesentlich für das Patent ist das gezielte Eingreifen in den Prozeß der turbulenten Vermischung und Verbrennung. Durch die Zugabe der Testsubstanzen (z. B. NO) an einem bestimmten Ort ("Ursprungsort (x, y, z)") der Mischvorrichtung und den örtlich aufgelösten späteren Nachweis dieser Testsubstanzen (oder der aus nur diesen Substanzen entstehenden Produkte) während des Misch- und Verbrennungsvorganges (z. B. vor, in oder hinter der Flamme) wird die Verteilung der zugegebenen Testsubstanz vom Ursprungsort auf verschiedene örtliche Bereiche in dem turbulenten (u. U. auch reaktiven) Strömungsfeld meßtechnisch erfaßt, d. h. es wird die Verteilung der Testsubstanz über den Raum bestimmt. Dieses bedeutet, daß nach Variation des Ursprungsortes eine Abbildung

(x, y, z) → F x, y, z(x′, y′, z′)

bestimmt wird, die für die vermessenen Ursprungsorte (x, y, z) die räumliche Verteilung der Testsubstanz aus diesem Ort über das turbulente (reaktive) Strömungsfeld angibt. Zusätzlich kann durch eine zeitlich definierte Zugabe (z. B. über ein Pulsventil) auch eine zeitlich definierte Zuordnung bestimmt werden.

Damit ist es nun möglich, durch die Zugabe anderer "aktiver" Substanzen (z. B. von Reaktanden wie Kraftstoff, Luft oder auch Abgas bei der NO_x-Redaktion) oder entsprechender Änderungen an der Mischvorrichtung gezielt die Abläufe an verschiedenen Orten (x′, y′, z′) oder Zeiten (t′) im turbulenten Strömungsfeld zu ändern. Wenn aus Schritt (a) die Orte an denen vermehrt NO entsteht (s. u.) bekannt sind, wird gezielt Abgas über die erwähnte Zuordnung F an Orten (x′, y′, z′) zugegeben, um dort die Temperatur abzusenken und somit thermisches NO zu reduzieren. Wenn in dem Abgasbereich lokal inhomogene Verteilungen vorliegen (wenn also z. B. an bestimmten Orten unverbrannter Kraftstoff oder Sauerstoff übrig ist), kann durch gezielte Zugabe von Kraftstoff oder Sauerstoff an den Ursprungsorten (x, y, z) in der Mischvorrichtung eine homogenere Verteilung im turbulenten (u. U. reaktiven) Strömungsfeld oder im Abgasbereich erzielt werden. Durch gezielte Zugabe von Substanzen kann damit im (reaktiven) Strömungsfeld eine homogenere Vermischung und u. U. eine Erhöhung des Wirkungsgrades erzielt werden. Es können auch lokal vorhandene unerwünschte Eigenschaften (Kondensation, Schadstoffbildung durch unerwünschte Temperaturen oder Konzentrationen von Reaktanden, unerwünschte Temperaturprofile) gezielt beeinflußt werden (Homogenisierung oder gezielt eingestellte Profile von Konzentrationen oder Temperaturen).

Die Verwendung von Testsubstanzen ist nicht neu.² Auch NO wurde in vielen Fällen als Testsubstanz verwendet.³ Der Unterschied ist in der gegenwärtigen Anwendung, daß die Testsubstanz nicht global, sondern örtlich und/oder zeitlich gezielt zugegeben wird um - in Kombination mit der Messung unerwünschter Eigenschaften - die Einschleusung von den Substanzen, die die Abläufe verändern sollen, gezielt durchführen zu können.

Abb. 1 zeigt ein Beispiel einer Meßanordnung für die Durchführung der Optimierung. In einer Mischvorrichtung (1) werden die zu mischenden Substanzen (2) und (3) (z. B. 2=Kraftstoff und 3=Luft) eingebracht. Die Substanzen vermischen sich im turbulenten, unter Umständen reaktiven, Strömungsfeld (5). In der Meßebene (6), die sich in verschiedenen örtlichen Bereichen des turbulenten Strömungsfeldes befinden kann (angedeutet durch den Pfeil (7)), werden durch örtlich (und u. U. zeitlich) aufgelöste Meßtechnik (hier ein Laser (8) mit Kamera (9)) z. B. unvollständige Vermischung, ein inhomogener lokaler Ausbrenngrad oder Orte erhöhter NO-Bildung ermittelt. Über eine lokal feine Injektionsvorrichtung (z. B. eine Injektionsnadel oder ein gepulstes Ventil (4)) wird eine Testsubstanz (z. B. NO) in der Nähe der Mischvorrichtung (1) dem turbulenten Strömungsfeld (5) zugemischt und wiederum durch örtlich und u. U. zeitlich aufgelöste Meßtechnik nachgewiesen. Durch diese Injektionsvorrichtung wird dann gezielt eine andere "aktive" Substanz (z. B. Sauerstoff, Kraftstoff oder Abgas) zugegeben, um die Abläufe im turbulenten Strömungsfeld zu beeinflussen. Es können andere Anordnungen verwendet werden, um eine gezielte örtliche und zeitliche Veränderung im Strömungsfeld zu erzielen.

Referenzen

1 A. Koch, A. Chryssoustomou, P. Andresen, W. Bornscheuer, Applied Physics B 31 177(1993) s. auch interner Bericht Laser Labor Göttingen über DLR H₂ Triebwerk
2 A.A. Rotunno, M. Winter, G.M.Dobbs, L.A. Melton Combust. Sci.Tech 71 247 (1990)
3 M.P.Lee, B. K. McMillin, R. K. Hanson Appl. Opt. 32, 5379 (1993)
Abb. 1 Experimenteller Aufbau,
Abb. 2 örtliche Verteilungen von Kraftstoff-Sauerstoff, OH und NO in einem Ölheizungsbrenner,
Abb. 3 örtliche Verteilungen von H₂, O₂ im Abgasbereich eines Wasserstofftriebwerkes.

Claims

1. Verfahren zur Optimierung von turbulenten Verbrennungs- und/oder Mischprozessen, dadurch gekennzeichnet, daß an definierten Orten (x, y, z) und/oder Zeiten t im Bereich der Mischvorrichtung eine "Testsubstanz" zugegeben wird, deren örtliche (und u. U. zeitliche) Verteilung im turbulenten Strömungsfeld erfaßt werden kann, so daß trotz der turbulenten (und u. U. reaktiven) Prozesse im Strömungsfeld vorhergesagt werden kann, von welchen Ursprungsorten (x, y, z) (und u. U. Zeiten t) in der Mischanordnung das Gas (oder die Flüssigkeit) zu welchen Punkten (x′, y′, z′) (und u. U. Zeiten t′) im turbulenten (u. U. reaktiven) Strömungsfeld geht und es über diese Vorhersage möglich wird, über die Mischanordnung gezielt Substanzen (z. B. Kraftstoff oder Luft) so zuzugeben, daß sie vorbestimmte Orte in dem turbulenten Strömungsfeld gezielt (u. U. zu definierten Zeiten) erreichen und daß damit die chemisch-physikalischen Abläufe (z. B. Vermischung, Verbrennung, reaktive Prozesse) örtlich und/oder zeitlich gezielt beeinflußt werden können, so daß - auf der Basis der Erkenntnis aus anderen Messungen (z. B. über unerwünschte Inhomogenitäten von Vermischung, Temperatur, lokalem Ausbrenngrad oder auch z. B. über Orte erhöhter NO Bildung) - eine konkrete Prozeßoptimierung (z. B. Homogenisieren von Vermischung, Ausbrenngrad, lokaler Gaszusammensetzung, Temperatur oder eine Verringerung der NO_x-Bildung z. B. durch gezielte Abgasrückführung) erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der lokale Ausbrenngrad meßtechnisch (z. B. über Sonden oder Lasermeßtechnik) erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Orte, an denen NO vermehrt gebildet wird, gezielt ermittelt werden

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Orte dadurch ermittelt werden, daß die Dichte von NO (z. B. durch LIF in einem Quantenzustand oder durch Absorption) ermittelt wird oder daß simultan zur Messung der NO-Dichte die totale Dichte (z. B. durch Rayleighstreuung) bestimmt wird und das Verhältnis z. B. der NO-LIF Intensität zur Intensität der Rayleighstreuung gebildet wird, das proportional zum Produkt aus NO-LIF Intensität und Temperatur ist und damit die Orte vermehrter thermischer NO- Bildung anzeigt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Testsubstanzen verwendet werden, die die Verbrennung oder andere chemische Abläufe "überleben" (d. h., die nicht durch chemische Reaktionen so stark verändert werden, daß sie nicht mehr meßbar sind) oder deren Produkte auch nach der Verbrennung eindeutig identifizierbar sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß NO als Testsubstanz-Substanz verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung z. B. des lokalen Ausbrenngrades und der Orte erhöhter NO Konzentration durch zeitlich gemittelte Messungen erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Testsubstanz zu wohldefinierten Zeitpunkten gepulst zugegeben und (gemittelt oder instantan) vermessen wird, um eine gezielte Beeinflussung des (reaktiven) Strömungsfeldes durch eine zeitlich definierte Zugabe der Substanzen, die das reaktive Strömungsfeld verändern sollen, zu erreichen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die so gewonnenen Erkenntnisse zur Steuerung und Regelung in turbulenten (u. U. reaktiven) Strömungsfeldern verwendet werden.

10. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte räumliche und zeitliche Auflösung an das zu untersuchende Objekt angepaßt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gewünschte Temperaturverteilung eingestellt werden soll, um z. B. eine aktive Kontrolle über den Ablauf chemischer Reaktionen zu erzielen.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gewünschte Speziesverteilung eingestellt werden soll, um z. B. eine aktive Kontrolle über den Ablauf chemischer Reaktionen zu erzielen.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Testsubstanz im Strömungsfeld nicht nur instantan, sondern auch gemittelt bestimmt werden kann.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in einem Motor zur Homogenisierung z. B. des Kraftstoff-Luft Verhältnisses kurz vor der Zündung eingesetzt wird, indem man z. B. die Testsubstanz im Ansaugtrakt injiziert und kurz vor der Zündung nachweist.