Neue Einblicke in die Verdunstung von Harnstoff-Wasser-Lösungen. Spraycharakterisierung bei hohen Druck- und Temperaturbedingungen
Christian Lieber
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Christian Lieber, Neue Einblicke in die Verdunstung von Harnstoff-Wasser-Lösungen. Spraycharakterisierung bei hohen Druck- und Temperaturbedingungen (2023), Logos Verlag, Berlin, ISBN: 9783832583828
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Beschreibung / Abstract
Die Reduktion von schädlichen Stickoxiden stellt heutzutage ein zentrales Entwicklungsziel für zahlreiche motorische Anwendungen dar. Um die Einhaltung aktueller und zukünftiger Abgasnormen zu gewährleisten, hat sich die selektive katalytische Reduktion (SCR) etabliert. Das Reduktionsmittel Ammoniak wird in der Regel durch die Einspritzung einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) in die heißen Abgase erzeugt. Modelle und Simulationen zur zuverlässigen Vorhersage der Sprayverdunstung von HWL sind folglich wichtige Werkzeuge, um die Herausforderungen bei der Auslegung von SCR-Systemen zu bewältigen. Allerdings ist das Verdunstungsverhalten von HWL nach heutigem Stand der Forschung weder vollständig verstanden, noch liegen geeignete Validierungsdaten zur Beurteilung der relevanten Modelle vor.
An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Es wird eine experimentelle Methodik entwickelt, die es ermöglicht, die Sprayverdunstung bei erhöhten Druck- und Temperaturbedingungen von bis zu 6 bar und 600°C zu untersuchen. Auf diese Weise kann die Einspritzung von HWL sowohl stromab als auch stromauf der Turbine eines Turboladers beurteilt werden. Die Weiterentwicklung einer optischen Messtechnik erlaubt die Charakterisierung von Tropfen mit einem Durchmesser von gerade einmal 4 µm und einer Geschwindigkeit von bis zu 250 m/s. Die experimentellen Ergebnisse können als Datenbasis für die Validierung numerischer Vorhersagen dienen und damit die Auslegung zukünftiger SCR-Systeme unterstützen.
An diesem Punkt knüpft die vorliegende Arbeit an. Es wird eine experimentelle Methodik entwickelt, die es ermöglicht, die Sprayverdunstung bei erhöhten Druck- und Temperaturbedingungen von bis zu 6 bar und 600°C zu untersuchen. Auf diese Weise kann die Einspritzung von HWL sowohl stromab als auch stromauf der Turbine eines Turboladers beurteilt werden. Die Weiterentwicklung einer optischen Messtechnik erlaubt die Charakterisierung von Tropfen mit einem Durchmesser von gerade einmal 4 µm und einer Geschwindigkeit von bis zu 250 m/s. Die experimentellen Ergebnisse können als Datenbasis für die Validierung numerischer Vorhersagen dienen und damit die Auslegung zukünftiger SCR-Systeme unterstützen.
Inhaltsverzeichnis
- BEGINN
- 1 Einleitung
- 2 Wissenschaftlicher Kenntnisstand
- 2.1 Selektive katalytische Reduktion
- 2.2 Aufbereitung von Ammoniak aus Harnstoff-Wasser-Lösung
- 2.3 Sprayverdunstung von Harnstoff-Wasser-Lösung
- 2.4 Bildgebende Messtechnik zur Spraycharakterisierung
- 2.5 Zielsetzung der Arbeit
- 3 Generischer Abgasstrang für hohe Druck- und Temperaturbedingungen
- 3.1 Auswahl und Integration des Zerstäubers
- 3.2 Definition der Betriebsbedingungen
- 3.3 Messstrecke zur Untersuchung der Sprayverdunstung
- 4 Spraycharakterisierung mittels mikroskopischer Bildgebung
- 4.1 Grundprinzip der mikroskopischen Bildgebung
- 4.2 Herausforderungen bei hohen Druck- und Temperaturbedingungen
- 4.3 Auswertung von Tropfengröße und -geschwindigkeit
- 5 Experimentelle Ergebnisse
- 5.1 Grundlegende Eigenschaften des Sprays im generischen Abgasstrang
- 5.2 Charakterisierung des Sprays im Nahbereich des Zerstäubers
- 5.3 Charakterisierung des Strömungsfelds der Gasphase
- 5.4 Charakterisierung der Sprayverdunstung
- 6 Validierung numerischer Modelle und Simulationen
- 6.1 Validierung eines numerischen Modells der Sprayverdunstung
- 6.2 Ausblick auf die Validierung numerischer Simulationen
- 7 Zusammenfassung
- Literatur
- Betreute studentische Arbeiten
- Anhang
- A.1 Stoffeigenschaften der Gasphase
- A.2 Stoffeigenschaften der Tropfen
- A.3 Ergänzungen zur Bedeutung des Wärme- und Stofftransports im Tropfen
- A.4 Technische Zeichnung der eingesetzten Zweistoffdüse
- A.5 Darstellung einer eingesetzten Kalibrierplatte
- A.6 Messunsicherheit nach Kalibrierung der Tropfengröße
- A.7 Zusammenfassung der wesentlichen Validierungsdaten in Tabellen
- A.8 Ergänzungen zur Bestimmung des Limits der Wasserverdunstung
- Publikationsliste