PC1 - Projekte - SFB686
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SFB 686

Modellbasierte Regelung der homogenisierten Niedertemperatur-Verbrennung

Voraussetzung für die möglichst ökonomische sowie ökologische Bereitstellung von Energie ist auf absehbare Zeit die Verfügbarkeit und effektive technische Nutzung von fossilen Brennstoffen. Die konventionelle Verbrennung von Kohlenwasserstoffen wird über einen Mischungsgradienten zwischen Luft und Kraftstoff stabilisiert. Dies führt jedoch zum Zielkonflikt bei den Emissionen von Ruß und Stickoxiden (NOx), die sich mit herkömmlichen Mitteln nicht gleichzeitig reduzieren lassen. Ein wichtiger Schritt ist die Verfahrensentwicklung hin zur homogenisierten Niedertemperatur-Verbrennung.

Durch Homogenisierung und niedrige Spitzentemperaturen werden Ruß- und NOx-Emissionen gleichzeitig erheblich reduziert; gleichzeitig wird der Wirkungsgrad gesteigert. Allerdings können bei diesem Verfahren Instabilitäten auftreten. Diese entstehen durch eine Annäherung der relevanten Zeitskalen für Mischung (kürzer durch Homogenisierung) und chemische Reaktion (länger durch niedrige Temperatur). Das Ziel des SFB 686 ist es, die auftretenden Instabilitäten der homogenisierten Niedertemperatur-Verbrennung mit Hilfe einer Regelung zu stabilisieren. Zur gezielten Beeinflussung des Verbrennungsprozesses mittels einer Regelung ist eine detaillierte physikalische und chemische Analyse der grundlegenden Prozesse notwendig.

In der ersten Projektperiode ist die Physikalische Chemie I mit dem Teilprojekt B3 beteiligt, das sich mit den für den SFB notwendigen, verbesserten Reaktionsmechanismen für die homogene Niedertemperatur-Verbrennung befasst, die dann in Form reduzierter Modelle in die Regelung einfließen.

Die Daten für die Modellentwicklung stellt u.a. ein im SFB entwickelter, spezieller Niedertemperaturbrenner bereit (Abb.1), der Temperaturen unterhalb von etwa 1500 K für die Untersuchungen zugänglich macht. Eine für die Experimente aufgebaute Kombination aus Molekularstrahl-Massenspektrometrie und Laserdiagnostik erlaubt die Analyse von Haupt- und Zwischenprodukten der Verbrennung unter Niedertemperatur-Bedingungen (Abb. 2).


Abbildung 1. Links: Schematische Skizze eines neuartigen beheizbaren Niedertemperaturbrenners. Brenn- sowie Verdünnungsgas und Oxidator können über Löcher und Kanülen (Zweikammersystem) getrennt durch die Matrix eingeströmt werden. Rechts: Aufsicht auf die Brennermatrix mit 91 Kanülen und 306 Öffnungen.

Abbildung 2. Struktur einer hochverdünnten, vorgeheizten Methanflamme bei 1400 K.
In der zweiten Projektperiode werden die in B3 erfolgreich durchgeführten Experimente mit Methan als Brennstoff nun in die Modellvalidierung und -reduktion übertragen. Weiterführende Experimente für die Brennstoffe Dimethylether, Ethanol und n-Heptan sind geplant; dazu soll auch der Druckbereich erweitert werden. Ein zweites Teilprojekt C5 der Physikalischen Chemie I hat die aktive Kontrolle der Verbrennung durch Untersuchungen zur Regelung der Niedertemperatur-Verbrennung mittels Chemilumineszenz zum Thema.

Videos mit weiteren Informationen:


Weitere Informationen unter: http://www.sfb686.rwth-aachen.de/