Einführung in die Verbrennung - Vorlesung

16 April 2025, Andreas Huber, Torsten Methling, Holger Huck, Nils Jakobs

Phänomene

Kurzfragen

• Was versteht man unter der Elementerhaltung?
• Was erhöht die Rußemission eines Verbrennersystems?
• Eines der Phänomene in der Verbrennungstechnik heußt Quenchen, was bedeutet dies?

Charakterisierung Verbrennung

Verbrennungsprozess ist abhängig von:

• Temperatur
• Druck
• Brennstroff
• Oxidator
• Mischungsverhältnis
  • mager: Oxidatorüberschuss
  • fett: Brennstoffüberschuss
  • stöchiemetrisch: vollständige Verbrennung (kein Überschuss)

stöchiemetrische Verbrennung

formaler Ansatz Elementerhaltung in Folien
(' = Edukt-Seite, '' = Produkt-Seite)
$\nu$ - Stöchiemetriekoeffizient

$$CH_4 + O_2 \rightarrow CO_2 + H_2O$$

Annahme: 1 $CH_4$
Rechts $C$ nur in $CO_2: 1 CO_2$
Rechts $H$ nur in $H_2O: 2 H_2O$ ($4H$ aus $CH_4$)
Damit $C$ und $H$ "Versorgt", es bleibt $O$:
$O$ rechts abzählen: $(2 + 2) O = 4 O \rightarrow 2 O_2$

Gleiche Berechnung für Verbrennung mit Sauerstoff

Luftzahl / Äquivalenzverhältnis

Wie viel Luft wird mit wie viel Brennstoff gemischt?

$$(\frac{Stoffmenge des Oxidators}{Stoffmenge des Brennstoffs}) / (\frac{Stoffmenge des Oxidators}{Stoffmenge des Brennstoffs})_{stöch} = \frac{1}{\varphi}$$

$\varphi$ = Äquivalenzverhältnis

Flammen in technischen Anwendungen

Lamiare Flammen

• leise
• stationär
• Kerzen / Gasherd (Teilweise Vormischung)

Turbulente Flamme

• Mehr Leistung
• Mehr lärm (Hauptbeitrag zum Flugzeuglärm in der Brennkammer)
• Diesel (Selbstzündung, teilweise Vormischung bei Einspritzung)

Nicht-vorgemischte Flamme

• Sicher
• Mehr Rußbildung
• Mehr Stickoxide (prominentes $NO$)
• Gasheizung (geringe Schadstoffe, hohe Effizienz)

Vorgemischte Flamme

• Weniger Schadstoffe
• Gefahr Flammenrückschlag
• Otto-Motor (keine Selbstzündung, weniger Leistung, dafür geringere Schadstoffe)

Wärmefreisetzung

Umwandlung von chemische Bindungsenergie in Wärme
Abgastemperatur $T_1$ abhängig von z.B.:

• Wandwärmeverluste oder Strahlungsverluste (vor allem Ruß)
• Abgaszumischung durch z.B. Mischluft oder Abgasrückführung

Schadstoff Ruß

Ruß Partikel sind feste Kohlenwasserstoffe (hoher $C$-Anteil), die in Flammen aus der Gasphase gebildet werden können, sie entstehen in fetten Verbrennungszonen und werden in mageren Verbrennungszonen abgebaut (Rußoxidation)

Folgen:

• Strahlung
• Schadstoffe
• Ultra Fein Partikel

Schadstoff Stickoxide

$NO_x$ sind die Gesamtheit aller Stickstoff-Sauerstoff-Verbindungen (Hauptsächlich $NO$ und $NO_2$ bei Verbrennung). Bildlung bei hohen Temperaturen und in fetten Verbrennungszonen

Folgen:

• Atemwegserkrankung
• Saurer Regen
• Ozonabbau

Schadstoff unverbrannter Kohlenwasserstoffe

Unverbrannte Kohlenwasserstoffe (unburnt Hydrocarbons UHC) und CO können über die Verbrennung ins Abgas gelangen. Entstehen durch fette Verbrennung, lokales Flammenlöschen

Folgen:

• unvollständige Verbrennung
• CO und einige UHC sind toxisch

Zünden

Brennstoff / Oxidator Verhältnis innerhalb von Zündgrenzen (z.B. Methan minimal 5 Vol-%, Maximal 60 Vol-% in Luft)
Genügend Zündenergie
Erreichen der Zündverzugszeit (z.B. Methan im Bereich von $\mu s - ms$)

Löschen

Brennstoff / Oxidator Verhältnis außerhalb der Löschgrenzen
Abheben der Flamme falls Anströmgeschwindigkeit größer als Flammengeschwindigkeit
Quenching der Flamme falls mehr Wärme abgeführt als produziert wird

Thermoakustik

Wechselwirkungen zwischen Schwingungsenergie (des Fluids) und der Wärmeenergie zu akustischen Druckschwingungen

Folge ist die Schädigung oder Zerstörung von Verbrennungsmaschinen