Reaktive Fluide

Wir konzentrieren uns auf die Weiterentwicklung von Glasfasersensor-Technologien für präzise und robuste Messungen und Analysen in praktischen Verbrennungsprozessen. Diese Sensoren sind unverzichtbare Werkzeuge für die Überwachung von Temperatur und Gaszusammensetzung in rauen Umgebungen wie Gasturbinenbrennkammern. Die Optik ist mit fortschrittlichen wassergekühlten und gasgespülten Sensorköpfen gekoppelt, die den rauen Bedingungen in industriellen Prüfständen standhalten. Ihr Einsatz trägt zur Verbesserung der Effizienz und Umweltverträglichkeit moderner Energiesysteme bei.

Eine unserer wichtigsten Entwicklungen ist die Phosphorthermometrie. Bei diesem Verfahren werden phosphoreszierende Materialien auf Oberflächen aufgebracht, die dann durch Laserlicht angeregt werden. Die Temperatur wird aus dem Emissionsspektrum oder der Abklingzeit der Phosphoreszenz bestimmt. Wir haben eine robuste Messtechnik entwickelt, die für Hochtemperaturumgebungen wie zukünftige Gasturbinenbrennkammern mit Oberflächentemperaturen von bis zu 1700 K geeignet ist [1, 3].

In einem weiteren bedeutenden Fortschritt setzen wir die abstimmbare Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie (TDLAS) ein, um die Temperaturen und Konzentrationen von CO, CO2 und H2O in der Gasphase zu messen. Durch die gleichzeitige Erfassung mehrerer Absorptionsbanden lassen sich die Konzentrationen und Temperaturen der einzelnen Stoffe genau bestimmen. Erfolgreiche Feldtests an Gasturbinen-Prüfständen haben die Machbarkeit dieser Methode unter realen Bedingungen gezeigt. Diese Forschungsergebnisse sind in einer Veröffentlichung dokumentiert, in der ein kompaktes, fasergekoppeltes NIR/MIR-Laserabsorptionsinstrument für gleichzeitige Messungen beschrieben wird [2].

Die Chemilumineszenzdetektion über bildbewahrende faseroptische Sonden ist ein weiterer Bereich, in dem wir erhebliche Fortschritte erzielt haben. Diese Technik erfasst die natürliche Lichtemission von Flammen und liefert wertvolle Informationen über die Position der Flamme, Turbulenzen und die Stöchiometrie. Wir haben diese Methode für Hochdruckbrenner-Prüfstände weiterentwickelt und ermöglichen damit eine räumlich aufgelöste Analyse der Flammenemission. Dieser Fortschritt ist besonders vorteilhaft für die Validierung von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics). Die Robustheit endoskopischer Chemilumineszenzmessungen wurde in zahlreichen Tests unter realistischen Gasturbinenbedingungen erfolgreich nachgewiesen und liefert Erkenntnisse über das Flammenverhalten und dessen Zusammenhang mit NOx-Emissionen und Druckschwankungen [4].

Unsere Forschungsarbeiten haben zu Veröffentlichungen geführt, in denen die Fähigkeiten und Anwendungsmöglichkeiten von faseroptischen Sensoren in der Verbrennungsdiagnostik vorgestellt werden. Dazu gehören Studien zur fasergekoppelten Phosphorthermometrie für Wandtemperaturmessungen in mit Wasserstoff betriebenen Gasturbinenbrennkammern, kompakte fasergekoppelte NIR/MIR-Laserabsorptionsgeräte zur gleichzeitigen Messung mehrerer Gasphasenarten und die Anwendung der Phosphorthermometrie in Verbrennungsprüfständen für Gasturbinen in Originalgröße. Wir haben auch den Einsatz endoskopischer Chemilumineszenzmessungen als robustes experimentelles Werkzeug in Hochdruck-Gasturbinenverbrennungstests dokumentiert.

Die Weiterentwicklung von faseroptischen Sensoren wird sich auf die Verbesserung ihrer Signalqualität und die Erweiterung ihrer industriellen Anwendungen konzentrieren. Dazu gehören die Miniaturisierung von Sensoren und ihre Integration in verschiedene Energieerzeugungs- und Umweltüberwachungssysteme. Durch die Weiterentwicklung dieser Technologien wollen wir einen wesentlichen Beitrag zur Optimierung von Verbrennungsprozessen und zur Reduzierung von Emissionen leisten und damit die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie auf dem globalen Markt unterstützen.

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1. Nau, P., Müller, A., Petry, N., Nilsson, S., Endres, T., Richter, M., Witzel, B., Fiber-coupled phosphor thermometry for wall temperature measurements in a full-scale hydrogen gas turbine combustor. Measurement Science and Technology, 2023, 34:104003. DOI: 10.1088/1361-6501/ace542
2. Shi, L., Jeffries, J.B., Endres, T., Dreier, T., Schulz , C. , A compact fiber-coupled NIR/MIR laser absorption instrument for the simultaneous measurement of gas-phase temperature and CO, CO2, and H2O concentration. Sensors 22 (2022)1286. DOI: 10.3390/s22031286
3. Nau, P., Görs, S., Arndt, C., Witzel, B., Endres, T., Wall temperature measurements in a full-scale gas turbine combustor test rig with fiber coupled phosphor thermometry. Journal of Turbomachinery 143 (2021) 011007.  https://doi.org/10.1115/1.4049104
4. Goers, S., Witzel, B., Heinze, J., Stockhausen, G., van Kampen, J., Schulz, C., Willert, C., Fleing, C., Endoscopic Chemiluminescence Measurements as a Robust Experimental Tool in High-Pressure Gas Turbine Combustion Tests. in ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition. 2014. American Society of Mechanical Engineers. GT2014-26977. https://doi.org/10.1115/GT2014-26977

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