ISBN 978-3-8439-3522-7

978-3-8439-3522-7, Reihe Ingenieurwissenschaften

Johannes W. Tröger
Anwendungserweiterungen der Vibrations-CARS-Thermometrie für den Einsatz in technisch relevanten Verbrennungsprozessen

134 Seiten, Dissertation Universität Siegen (2017), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Weiterentwicklung des Vibrations-CARS-Verfahrens zur quantitativen Temperaturbestimmung in der Verbrennungstechnik. Ziel ist es hierbei, Messsysteme zur Applikation für messtechnisch komplexe sowie technisch relevante Verbrennungssysteme bereitzustellen und im Messeinsatz zu verifizieren.

Zunächst wurde eine CARS-Messsonde mit dem Sauerstoffmolekül als Temperaturindikator zur Thermometrie in einem industriellen Oxy-Fuel-Hochtemperaturprüfstand entwickelt. Dieser wird regelmäßig von der Glasindustrie für Brennerfunktionstests genutzt. Das Potential der entwickelten Messtechnik wird anhand einer ausführlichen Temperaturanalyse verschiedener industrieller Oxy-Fuel-Brenner in einem Hochtemperaturprüfstand am Gas- und Wärme-Institut e. V. in Essen dargestellt. Zusätzlich wurden vergleichende Voruntersuchungen im Labormaßstab durchgeführt, welche eine gute Übereinstimmung mit der Zweifarben-Vibrations-CARS-Thermometrie über das Stickstoffmolekül zeigen.

Weiterhin wurde eine neuartige CARS-Messsonde zur Thermometrie in rußenden Flammen entwickelt, welche den bei der Zweifarben-Vibrations-CARS-Technik durch Interferenzen mit den C2-Swan-Banden verursachten und bekannten Messfehler vermeidet. Zum Einsatz kamen verschiedene Nd:YAG-gepumpte Raman-aktive Kristalle, deren Stokesemission als schmalbandige Lichtquelle für den zweiten Pumplaser im CARS-Prozess verwendet wurde. Das Potential dieser Shifted-Vibrational-CARS-Technik wurde an unterschiedlich stark rußenden Flammentypen demonstriert und die Unterschiede im Vergleich zur Zweifarben-Vibrations-CARS- und zur interferenzfreien Rotations-CARS-Technik dargelegt. Eine deutliche Verbesserung der Messgenauigkeit im Vergleich zur Zweifarben-Vibrations-CARS-Technik wird erreicht.

Die hier entwickelten Verfahren erlauben CARS-Temperaturmessungen in messtechnisch anspruchsvoller Umgebung und eröffnen neue Möglichkeiten für den Einsatz der CARS-Thermometrie. Sie bieten durch Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten beziehungsweise durch eine signifikante Kosteneinsparung großes Potential zur Analyse und Weiterentwicklung im Bereich von Oxy-Fuel- sowie in rußenden Verbrennungsprozessen.