Characterization of fuel injector mixing dynamics in an atmospheric jet-stabilized hydrogen combustor using 1 dimensional laser Raman spectroscopy

Abstract

In dieser Arbeit wurde ein neues Brennstoffeindüsungskonzept für eine nicht vorgemischte, jet-stabilisierte Wasserstoffverbrennung untersucht und mit einem konventionellen Konzept in einem atmosphärisch betriebenen Einzeldüsen-FLOX®-Brenner verglichen. In beiden Fällen war die Brennstoffdüse konzentrisch innerhalb der Luftdüse installiert, wobei die Düsenenden bündig abschlossen, sodass keine Vormischung stattfindet, bevor beide Fluide – Brennstoff und Luft – in die Brennkammer eintreten. Die erste Brennstoffdüse bestand aus einem Metallrohr mit einem Innendurchmesser von ID = 1,5 mm. Der zweite, neuartige Brennstoffinjektor wies einen dreiarmigen Querschnitt mit drei Austrittsöffnungen (ID = 0,5 mm) in jedem Arm auf. Der effektive Gesamt-Austrittsquerschnitt der Injektoren wurde mit 1,76 mm² konstant gehalten.

Um die Leistungsfähigkeit unter typischen Bedingungen für jet-stabilisierte Verbrennungssysteme zu vergleichen, wurden die globalen Betriebsbedingungen mit einer koaxialen Luft-Strömung von v = 115 m/s, vorgewärmt auf T = 573 K, einem Äquivalenzverhältnis von ϕ=0,66; entsprechend einer adiabaten Flammentemperatur von Tadiabat = 2100 K, sowie einer thermischen Leistung von Pth = 10,5 kW festgelegt. Die resultierenden Flammen wurden mittels OH*-Chemolumineszenzbildgebung untersucht, wobei mit dem neuartigen Brennstoffinjektor eine deutlich reduzierte Flammenabhebehöhe beobachtet wurde.

Die Konzentrationen der Hauptspezies sowie die Gastemperatur stromab des Düsenaustritts wurden mittels eindimensionaler Laser-Raman-Spektroskopie gemessen. Die rekonstruierte zweidimensionale Verteilung der Spezies zeigte eindeutig eine verbesserte Brennstoff-Luft-Durchmischung sowie eine stärker verteilte Verbrennung mit dem neuartigen Injektor. Weitere Hinweise auf diese Verbesserung ergaben sich in den Abgasen, wobei mit dem neuartigen Injektor eine Reduktion der NOₓ-Emissionen um etwa 10 % erreicht wurde.