Vergasungstechnologie

Ziel der Forschungsarbeiten ist die Optimierung gasgestützter Düsen mit Blick auf die prozessabhängig gewünschten Parameter (z. B. Spraywinkel und Tropfengrößenverteilung) in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und der Düsengeometrie.

Um den Zerstäubungsprozess im Kontext der Flugstromvergasung experimentell zu untersuchen, werden drei Versuchsanlagen betrieben (Pressurized Atomization Test Rig (PAT), ATMOspheric Spray Test Rig (ATMO) und das Burner Test Rig (BTR)). Diese ermöglichen: (i) die Untersuchung des Primärstrahlzerfalls (siehe Video 1), (ii) die Quantifizierung der vorherrschenden Instabilitäten und Zerfallsmechanismen, (iii) die Bestimmung der resultierenden Tropfengröße und (iv) die Charakterisierung des Strömungsfeldes. Für die Untersuchung des gesamten Sprühkegels stehen verschiedene optische und laserbasierte Messverfahren (Hochgeschwindigkeitskamera, Particle Image Velocimetry, Laser Doppler Anemometer, Phasen Doppler Anemometer, Laserbeuger und ein SpraySpy System) zur Verfügung. Die Rohdaten aus den Messungen werden über eine eigene Auswerteroutine zur Datenaufbereitung (SprayCat) in Daten zur Quantifizierung der Sprayeigenschaften überführt. Mit dieser Methodik können wir beispielsweise einen massenstromgewichteten integralen Sauter-Durchmesser berechnen, um die Tropfengröße in einer Ebene für ausgewählte Abstände von der Düsenöffnung zu charakterisieren.

Darüber hinaus dienen die experimentellen Daten zur Entwicklung und Validierung von Prognose-Modellen und numerischen Simulationen des Zerstäubungsprozesses. Diese Arbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für die Simulation reagierender Thermo-Fluid-Systeme am Engler-Bunte-Institut des KIT durchgeführt und zielen auf die Entwicklung eines Virtual Spray Test Rigs (VSTR) ab. Das VSTR soll basierend auf Daten der Hochgeschwindigkeitskamera in der Lage sein, den Zerstäubungsprozess für verschiedene Flüssigkeitsviskositäten, Düsengeometrien und Betriebsbedingungen zu charakterisieren und zu quantifizieren. Die Forschungsarbeiten sind Teil des Helmholtz geförderten Forschungsprogramms MTET – Materials and Technologies for the Energy Transition, in Topic 5 Ressource and Energy Efficiency.

Der Vergleich in Video 2 zeigt Ergebnisse aus Experiment und Simulation [1,2] des Primärstrahlzerfalls eines hochviskosen Glycerin/Wasser-Gemisches (η_liq = 100 mPa s) bei erhöhtem Systemdruck (p = 6 bar). Es wird eine koaxiale Düse verwendet, bei der der Flüssigkeitsstrahl außerhalb der Düse durch eine schnelle Gasströmung zerstäubt wird. Die Düse wird mit einem Gas-Flüssigkeits-Verhältnis von GLR = 0,6 und einer Gasgeschwindigkeit von v_gas  = 60 m^.s^-1 betrieben. Links: Video einer Hochgeschwindigkeitskamera, aufgenommen am Institut für Technische Chemie. Rechts: Visualisierung des entlang einer Sichtlinie integrierten Flüssigkeitsvolumenanteils aus VOF-LES-Vorhersagen am Engler-Bunte-Institut.