Ins Innere der Flammen - LTTT

FORSCHUNG
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Ins Innere der Flammen
Raman-Messungen von Konzentrations- und Temperaturverteilungen
Zum besseren Verständnis der
chemischen Reaktionen in Flammen
sowie zur Kontrolle technischer Verbrennungsprozesse ist eine orts- und
häufig auch zeitaufgelöste Kenntnis der
chemischen Zusammensetzung der
Flamme nötig. Dabei sind besonders
optische Messverfahren interessant, da
diese nicht in den Verbrennungsprozess
eingreifen.
Raman-Spektroskopie
Der Raman-Effekt beschreibt die
Erscheinung, dass das Spektrum des
Streulichts von mit monochromatischem
(heute: Laser-) Licht bestrahlten Molekülen
auch Linien aufweist, die sich von der
Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes
unterscheiden. Treffen Photonen eines
Lichtstrahls auf Moleküle, so bestehen
grundsätzlich zwei Möglichkeiten der
Streuung:
· die elastische, spektral unverschobene
Rayleigh-Streuung;
· die unelastische, spektral verschobene
Raman-Streuung.
Hat durch diesen Streumechanismus die
Energie des Photons abgenommen, so ist
seine Frequenz entsprechend in den
roten Bereich verschoben. In diesem Fall
spricht man von Stokes’schem Streulicht.
Hat das Photon hingegen Energie von
dem Molekül aufgenommen, so ist seine
Frequenz in den blauen Bereich
verschoben (anti-Stokes’sches Streulicht).
Abb. 1: Typischer experimenteller Aufbau zur Ramanspektroskopie
Abb. 2: Verteilung von Methan und Sauerstoff im Längsschnitt einer Flamme
Die Abb. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau
des Experiments.
LTTT · Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann · Universität Bayreuth · 95440 Bayreuth · Tel. (09 21) 55-71 60 · Fax (09 21) 55-71 65 · [email protected]
Ins Innere der Flammen
Da die so entstehenden Differenzen im
Frequenzspektrum stoffspezifisch sind,
lässt sich aus der spektralen
Verschiebung die Identität eines Stoffes
bestimmen. Die Intensität des RamanStreulichts ist proportional zur jeweiligen
Stoffkonzentration. Zusätzlich lassen sich
auch Temperaturen aus Raman-Spektren
bestimmen.
Flammenmessungen
Die aus den Messungen erstellten
zweidimensionalen Datensätze sind in
den Abb. 2 bis 4 dargestellt. Aufgetragen
sind die Stoffkonzentrationen (Molanteile)
bzw. Gastemperaturen gegenüber der
Höhe über der Brenneroberkante (HAB)
und der radialen Position (x).
Abb. 2 zeigt die Konzentrationen der
Edukte Methan und Sauerstoff. Der
Molanteil von Methan ist am höchsten
nach dem Austritt aus dem Brennerrohr.
Man erkennt deutlich die Abmessung des
Brennerrohres mit einem Durchmesser
von 13 mm. Der Sauerstoffanteil beträgt
wie erwartet in der Umgebung der
Flamme 21% und verschwindet in der
Reaktionszone. Innerhalb des
Flammenkegels kann man eine
Sauerstoffkonzentration von bis zu 10%
feststellen, was durch Ansaugen von Luft
beim Ausströmen des Methans zu
erklären ist.
In Abb. 3 sind Konzentrationen der
Verbrennungsprodukte Wasser und
Kohlendioxid dargestellt. Die
Konzentration von gasförmigem Wasserdampf beträgt im Außenbereich der
Flamme bis zu 20%, während der Anteil
an CO2 in der Spitze der Flamme Werte
bis 8% erreicht.
Abb. 4 zeigt die Konzentration von
Stickstoff sowie die daraus berechneten
lokalen Flammentemperaturen.Wie zu
erwarten bleibt die Stickstoffkonzentration
durch die chemische Reaktion
unverändert, lediglich über dem
Brennerrohr ist eine Verdünnung durch
das ausströmende reine Methangas zu
beobachten. Die Temperaturdaten wurden
durch einen Vergleich mit in der
Umgebung der Flamme gemessenen
Temperaturen kalibriert. Im Inneren der
Flamme herrschen Temperaturen von
etwa 1500 K vor, die zum Flammenrand
hin bis auf etwa 2000 K ansteigen.
Abb. 3: Verteilung von Wasser und Kohlendioxid im Längsschnitt einer Flamme
Abb. 4: Verteilung von Stickstoff und der Temperatur im Längsschnitt einer
Flamme
Veröffentlichungen:
B. Mewes:
Entwicklung der Phasenspezifischen Raman-Spektroskopie
zur Untersuchung der Gemischbildung in Methanol- und
Ethanolsprays. Band 8 der Reihe: D. Brüggemann (Hrsg.):
Thermodynamik - Energie, Umwelt, Technik. ISBN 3-83250841-4, Logos-Verlag, Berlin, 2005
T. Schittkowski, B. Mewes und D. Brüggemann:
LII and Raman measurements in sooting methane and
ethylene flames. Phys. Chem. Chem. Phys. 4, 2063-2071
(2002).
T. Schittkowski und D. Brüggemann:
Ramanspektroskopie und ihr Einsatz zur ortsaufgelösten
Bestimmung von Gaskonzentrationen in rußenden Flammen.
Chemie Ingenieur Technik 7, 1012-1016 (2002)
Förderung:
Die Ergebnisse sind teilweise im Verbundprojekt “Rußbildung
und -oxidation” entstanden, welches von der VolkswagenStiftung mit Nr. 75455 gefördert wurde.
Weitere Informationen:
Prof. Dr.-Ing. Dieter Brüggemann, Tel. (0921) 55-7160
[email protected]
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