Die Arbeitsgruppe „Lasermesstechnik“, geleitet von Dr. Torsten Endres, beschäftigt sich mit der Entwicklung und praktischen Anwendung spektroskopischer Diagnostikmethoden zum Einsatz in Verbrennungssystemen oder reaktiven Strömungsprozessen. Dazu zählen insbesondere laserbasierte Verfahren wie Rayleighstreuung, spontane Ramanstreuung, laserinduzierte Fluoreszenz (LIF), laserinduzierte Inkandeszenz (LII) oder Diodenlaser-Absorptionsspektroskopie.

In der Arbeitsgruppe werden einerseits grundlagenorientierte Experimente durchgeführt, um eine quantitative Interpretation der Messdaten auch in komplexen Situationen zu ermöglichen. Dazu gehört auch die Bestimmung von Fluoreszenz-Lebensdauern kleiner Moleküle (OH-Radikale, Formaldehyd, Toluol, Naphthalin). Diese liefern Aufschluss über intra- und intermolekulare Energietransferprozesse, die für die Variation von Signalintensitäten und Spektren verantwortlich sind. Ein weiteres Beispiel ist die Bestimmung der Lichtabsorption in wässrigen Lösungen im nahinfraroten Spektralbereich. Darüber hinaus verfolgt die Arbeitsgruppe die Weiterentwicklung von laseroptischen Verfahren (LII) zur Größenmessung gasgetragener Nanopartikeln – z.B. für Ruß im Motor oder für Nanopartikel als wertvolle Produkte eines Synthesereaktors.

Die Messmethoden werden zur Bestimmung wichtiger Parameter in Flammen oder anderen technisch interessanten Umgebungen eingesetzt. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf abbildenden Verfahren, die die gewünschte Größe in einer Querschnittfläche im Prozess darstellen und somit Mischungs-, Reaktions- und Strömungsprozesse aufklären helfen. Die Schichtdicke und die Temperatur wässriger flüssiger Filme wird über Absorptionsspektroskopie mit abstimmbaren NIR-Diodenlasern gemessen, um etwa schnell verdampfende Flüssigfilme auf heißen Oberflächen zeitlich aufgelöst zu betrachten. Ein weiteres Beispiel ist die berührungslose quantitative Bestimmung der Wärmefreisetzung in turbulenten Flammen mittels abbildender LIF von OH und Formaldehyd sowie die der zeit- und spektral aufgelösten Chemilumineszenz (OH*, CH*, CO₂*).

Nahezu jede Flamme sendet Eigenstrahlung (Chemilumineszenz) aus, die von chemisch gebildeten kurzlebigen Zwischenprodukten wie den Radikalen OH*, CH* oder C₂* verursacht wird [1] und für das Leuchten im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich verantwortlich ist. Die Flamme eines Bunsenbrenners, der mit einem Gemisch aus Methan und Luft betrieben wird, ist dafür ein gutes Beispiel Abbildung 1(links). Zerlegt man das von der Flamme ausgesandte Licht in einem Spektrometer in seine Wellenlängenbestandteile,so kann man Spektren der Art nach Abbildung 1(rechts) beobachten. Man erkennt charakteristische Emissionsbanden von elektronisch angeregten kleinen Molekülen,wie OH*, CH* und C₂*. Es ist nun von Interesse,ob die Intensität und Form dieser Emissionsbanden quantitative Informationen über den Zustand des Verbrennungsgeschehens liefert, wie z.B. das lokale Brennstof-Luft-Verhältnis, die lokale Wärmefreisetzung, oder die chemischen Vorgänge am Beobachtungsort in der Flamme. Dies wäre auch von großer technischer Bedeutung für eine rein optische, und daher berührungslose Charakterisierung und Überwachung technischer Flammen in Kraftwerken, Müllverbrennungsanlagen oder Motoren.​

In diesem Projekt wird die Chemilumineszenz-Strahlung von in Flammengasen vorkommenden elektronisch angeregten Spezies (z.B. OH*, CH*, C2*) mittels klassischer spektroskopischer Verfahren (Spektrometer) untersucht. Zusätzlich will man Auskunft über die lokale Wärmefreistzung in verschiedenen Flamemmen erhalten,die einerseits über die OH*- und CH*- Emissionen aus der Flamme, andererseits über den Nachweis von Radikalen (OH) und Formaldehyde (H2CO) gewonnen werden kann. Letztere werden mithilfe moderner laser-spektroskopischer Diagnostik (z.B. LIF) untersucht. Hierbei wendet man die zweidimensinale LIF an, bei der ein Anregungs-Laserstrahl zu einem dünnen Lichtband geformt und durch did Flammengase geschickt wird, so dass man zweidimensionale Verteilungen der nachzuweisenden Spezies oder Temperaturinformationen aus der Flamme erhält.
Die Beobachtung der Chemilumineszenz-Strahlung ist aus technischer Sicht eine kostengünstige Methode zur Überwachung oder Optimierung des Verbrennungsprozesses, etwa in einem Heizkraftwerk - und daher die Erforschung von Korrelationen zur Wärmefreisetzung oder dem Brennstoff/Luft-Verhältnis von großer Bedeutung. Dazu werden in unserer Gruppe laminare und turbulente Flammen bei unterschiedlichen Bedingungen betrieben, wie z.B. bei variabler Flammenstreckung und - vormischung und in Abhängigkeit von der Art der Strömung (Turbulenz), Brennstoffzusammensetzung und dem Brennstoff/Luftverhältnis. Ein spezieller Brenner für sogenannte Gegenstrom-Diffusionsflammen ist in Abbildung 2 (links) zu sehen. Chemilumineszenz-Signale aus diesen Flammen werden mittels optischer Spektrometer und empfindlichen Kamerasystemen als Detektoren aufgezeichnet.Ein solches Experiment zur Erfassung der Chemilumineszenz-Emissionen aus einer Gegenstrom Flamme zeigt Abbildung 2 (rechts).

Die aus den Chemilumineszenz-Spektren gewonnenen räumlichen Profile einiger der in der Flamme leuchtenden Spezies sind in Abbildung 3 gezeigt; hierbei wurde der Brenner mit von unten anströmender Luft (s.Abbildung 2 links)) von ca. 150 cm/s betrieben.
Neben der Chemilumineszenz wird mit Hilfe der zweidimensionalen Laser-induzierten Fluoreszenz (LIF) bei identischen Betriebsbedingungen der Brenner die räumlich flächige Verteilung der Temperatur, sowie der OH und Formaldehyd (CH₂O) Konzentrationen erfasst.Es ist bekannt, dass eine für die Wärmefreisetzung entscheidende chemische Reaktion in der Flamme zwischen Formaldehyd und OH-Radikalen stattfindet:

CH₂O + OH --> HCO + H₂O

und dass das Produkt der Konzentrationen der Reaktanden ein Maß für die lokale Wärmefreisetzung darstellt. Dazu werden simultan die instantane CH2O- und OH-Verteilung gemessen [2]. Anschließend lässt sich das Produkt der beiden LIF-Signale (I_LIF,CH2O(T)×I_LIF,OH(T)) bilden, welches dann den räumlichen Bereich beschreibt,in dem die Hauptwärmefreisetzung in der Flamme stattfindet. Die so aus (laser)spektroskopischen Messungen gewonnenen Daten dienen dann als experimentelle Datenbasis für die Validierung sowohl der Chemilumineszenz-Messungen als auch von Ergebnissen aus chemisch-kinetischen Simulationsrechnungen zur Chemilumineszenz und Wärmefreisetzung in diesen Verbrennungssystemen. Insgesamt sollen so das Verständnis, die Gültigkeitsbereiche und Grenzen der Chemilumineszenz-Detektion zur Charakterisierung technischer Verbrennungssysteme erforscht werden.

Abbildung 3: Räumliche Profile der Chemilumineszenz-Intensität von OH*,CH*, C2* und CO2*,wie sie in der Diffusionsflamme von Abbildung 2 erhalten wurden.

Literatur

[1] A.G.Gaydon and H.G.Wolfhard,Flames: Their Structure, Radiation,and Temperature(Chapman and Hall, London, 1978).
[2] P.H.Paul and H.N.Najm,"Planar laser-induced fluorescence imaging of flame heat release," Proc.Combust.Inst.27,43-50 (1998).

Häufig will man in Verbrennungs- und Gasmischungsprozessen (Gasturbine, Motor, Feuerungsanlagen) oder chemischen Prozessanlagen (wandbeheizte Strömungsrohre, Mikrokanäle von Brennstoffzellen, usw.) die Verteilung der darin befindlichen Gase (Brennstoff, Luft, Restgase) kennen, oder deren räumlich-zeitliche Vermischung mit einer zweiten Gaskomponente studieren. Falls diese Komponenten zur Fluoreszenzangeregt werden können, kann man die Gase mit Hilfe der Laser-induzierten Fluoreszenz (LIF) sichtbar machen. Häufig weisen die beteiligten Gase aber kein geeignetes Absorptionsspektrum auf oder ihre Fluoreszenzintensität ist nach Laseranregung sehr gering. Um trotzdem die interessierende Gaskomponente (z.B. flüssiger oder gasförmiger Brennstoff bei der motorischen Verbrennung) „sichtbar" zu machen, mischt man ihr einen geeigneten Markierungsstoff (Tracer) bei, der bei ähnlichen Verdampfungseigenschaften wie der Brennstoff ein gut bekanntes Absorptions-/Fluoreszenzspektrum besitzt,und somit eine optische Diagnostik mit geeigneten Laser-Lichtquellen erlaubt. Typische Tracer sind Toluol oder 3-Pentanon. In Abbildung 1(links) ist als Beispiel das Fluoreszenzspektrum von Toluol gezeigt, wie es nach Anregung des Gases mit Laserstrahlung bei 266 nm erscheint [1,2].

Abbildung 1: Turbulente Mischung von Gasströmen, sichtbar gemacht mit Tracer-LIF

Um aus den LIF Signalen der Tracer quantitative Informationen über die Verteilung der Kraftstoffmenge im Beobachtungsvolumen zu ziehen, müssen die photo-physikalischen Eigenschaften des Tracers gut bekannt sein. Dazu gehören die Abhängigkeiten der Tracer LIF-Signalintensität von Gasdruck, Temperatur und Stoßgasumgebung [3]. Die direkte Messung von Absorptions- und Fluoreszenz-Spektren der Tracer unter bekannten Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur) kann zur Validierung von Modellen zur Simulation des photo-physikalischen Verhaltens (intramolekulare Energieumwandlung, Schwingungsrelaxation, usw.) während eines Anregungs-/Fluoreszenz-Prozesses herangezogen werden.

Abbildung 2: Links: Emissionsspektren von Toluol-Dampf nach Anregung bei 248 nm bei verschiedenen Temperaturen.

Abbildung 2: Rechts: Hochtemperatur-Druckzelle zur Aufheizung von strömenden Gasgemischen bei Temperaturen bis 1000 °C und Drücken bis 30 bar. Die Zelle besitzt optische Zugänge für Laserstrahlen und spektroskopische Untersuchungen.

Am IVG steht für die systematische Untersuchung von Tracern in der Gasphase eine optisch zugängliche Hochdruckzelle (bis 30 bar) zur Verfügung, bei der die zugeführten Gase bis zu Temperaturen von 1200 °C (1473 K) aufgeheizt werden können. Um thermische Zersetzung während der Experimente zu minimieren, werden die Gase in einer keramischen Röhre mit großer Strömungs-Geschwindigkeit kontinuierlich durch die heiße Zelle geführt. Abbildung 2 (rechts) zeigt eine Ansicht der Hochdruckzelle zusammen mit Gaszuführungen und elektrischen Regeleinrichtungen. Die kontrollierte Dosierung der Gase (bei flüssigen Tracern erfolgt zunächst eine Verdampfung) wird durch elektronische Flussregler gewährleistet.
Die Tracer werden durch einen Nd:YAG-Laser bei 266 nm angeregt und ihre Fluoreszenzspektren mit einer Kombination aus Spektrometer und intensivierter CCD-Kamera (in Abbildung 2 rechts) aufgenommen.

In Abbildung 3 sind Ergebnisse solcher Messungen dargestellt. Im linken Teilbild erkennt man die Druckabhängigkeit der Fluoreszenzintensität von 3-Pentanon, wenn sich dieser Tracer in einer Umgebung aus Stickstoff (grüne Punkte), Luft (hellblaue Punkte) bzw. Sauerstoff (dunkelblaue Punkte) befindet. Das rechte Teilbild zeigt das Verhalten der gemessenen LIF-Intensität von Toluol in Luft (eine Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff). Man erkennt die starke Abnahme der Fluoreszenzintensität dieses Tracers mit zunehmendem Luftdruck. Dafür wird der damit steigende Sauerstoff-Partialdruck verantwortlich gemacht.

Abbildung 3: Links: Abhängigkeit der LIF-Signalintensität von 3-Pentanon vom Gasdruck für drei verschiedene Stoßpartner (N2, Luft, O2)

Abbildung 3: Rechts: Abhängigkeit der LIF-Signalintensität von Toluol als Funktion des Umgebungsdrucks (Luft)[1].

Literatur

[1] W. Koban, J. D. Koch, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Oxygen quenching of toluene fluorescence at elevated temperatures," Appl. Phys. B 80, 777-784 (2005).
[2] W. Koban, J. D. Koch, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Absorption and Fluorescence of Toluene Vapor at Elevated Temperatures," Phys. Chem. Chem. Phys. 6, 2940-2945 (2004).
[3] W. Koban, J. D. Koch, V. Sick, N. Wermuth, R. K. Hanson, and C. Schulz, "Predicting LIF signal strength for toluene and 3-pentanone under engine-related temperature and pressure conditions," Proc. Combust. Inst. 30, 1545-1553 (2005).