Reaktive Fluide

Der Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizient schneller chemischer Reaktionen bei hohen Temperaturen wird in Stoßwellenrohren untersucht, die mit ultraschnellen Detektionsmethoden ausgestattet sind. Eine durch Gasexpansion verursachte Stoßwelle erhitzt das reaktive Gasgemisch innerhalb von Mikrosekunden auf Temperaturen von bis zu mehreren tausend Kelvin, und die nachfolgenden Reaktionen werden meist mit optischen In-situ-Methoden beobachtet. Mit Hilfe hochempfindlicher spektroskopischer Methoden ist es möglich, zeitaufgelöste Konzentrationsprofile der reagierenden oder sich bildenden atomaren und molekularen Spezies zu messen. Durch die Auswahl des Gasgemisches können einzelne Elementarreaktionen in stark verdünnten homogenen Reaktionssystemen gezielt untersucht und ihre Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten bestimmt werden.

Zu diesem Zweck werden in unserem Labor vier verschiedene Stoßwellenrohre verwendet. Sie haben alle einen Innendurchmesser von etwa 8 cm, eine Antriebslänge von etwa 3 m und einen Testabschnitt von etwa 6 m Länge. Die Stoßgeschwindigkeit der einfallenden Stoßwelle wird mit schnellen Piezo-Drucksensoren bestimmt und zur Berechnung des reflektierten Stoßdrucks und der Temperatur verwendet. Die Gasgemische werden in separaten Mischbehältern hergestellt.

Die vier Stoßwellenröhren sind mit unterschiedlichen Messtechniken ausgestattet. Zwei davon sind ultrareine Stoßröhren, die zwischen den Experimenten mit Turbomolekularpumpen auf Drücke unter 10–6 mbar gepumpt werden. Sie sind mit zeitaufgelösten, hochempfindlichen Konzentrationsmesstechniken (ARAS, RDLAS, ICAS) ausgestattet. Diese Techniken ermöglichen die zeitaufgelöste Detektion von atomaren und molekularen Spezies mit einer Empfindlichkeit im Sub-ppm-Bereich, sodass uni- und bimolekulare Geschwindigkeitskoeffizienten von organischen Substanzen (Kraftstoffen) und Nanopartikelvorläufern (metallorganisch) bestimmt werden können. Die Messungen werden bei Drücken von etwa 1 bar durchgeführt.

Die dritte Stoßwellenröhre ist mit verschiedenen Messtechniken ausgestattet, wie z. B. einem Kinetikspektrometer für schnelle Breitband-Absorptionsspektroskopie, reaktionszeitaufgelöstem LIF und LII, IR-Diodenlasern und Laser-Extinktion. Diese Messtechniken ermöglichen eine Vielzahl von Untersuchungen mit zeitaufgelösten Messungen:

Zündprozesse (CO, Temperatur) und CO-Produktion von kraftstoffreichen Gemischen mit TDLAS Rußbildung in Oxidations- und Pyrolysesystemen (Rußlöschung, Temperatur und CO-Konzentration) Untersuchung der jungen Rußbildung (LIF, LII, zeitaufgelöste UV-Absorption, Laserlöschung) Kinetik von LIF-Tracern (reaktionszeitaufgelöstes LIF, zeitaufgelöste UV-Absorption, Einfluss der Zündung von Tracern LIF auf Kohlenwasserstoffbrennstoffe)

Das vierte Stoßwellenrohr wird verwendet, um die Geschwindigkeitskonstanten der Zersetzung organischer Substanzen (Kraftstoffe) und Nanopartikelvorläufer zu bestimmen. Es können zwei entsprechende Messverfahren verwendet werden:

Verwendung des Stoßwellenrohrs im Einzelimpulsmodus. Durch die Verwendung eines Ablassbehälters wird eine Wiedererwärmung des Gemisches verhindert, und das Gemisch bleibt für eine bekannte Zeit unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen, sodass der Reaktionsfortschritt durch Analyse der Gasproben mittels GC/MS untersucht werden kann. Die Produktanalyse hat den Vorteil, dass auch Reaktionen mit sehr geringen Umwandlungsraten untersucht werden können und die unimolekulare Zersetzung in einem sehr breiten Temperaturbereich untersucht werden kann. Um die Messungen auf niedrigere Temperaturen auszuweiten, wird ein Strömungsreaktor verwendet, um die Messungen auf höhere Temperaturen auszuweiten, ermöglicht die HRR-TOF-MS-Technik die zeitaufgelöste Detektion von Edukten und Produkten.