Bild 1: Butanflamme

Bild 2: Butanflamme

Bild 3: Propanflamme,

Flammenstabilisierung durch Flammenhalter

Bild 4: Heizöl Blaubrenner

Bild 5: Stark rotierende Erdgasflamme,

Flammenstabilisierung durch Rückströmung in der Flammenmitte

(Quelle: J. Wolfrum, Uni Heidelberg)

Bild 6: Butanflamme

Bild 7: Butanflamme durch eine Spektralbrille

 Bild 8: Methanolflamme durch eine Spektralbrille;

Flammenfärbung mit Strontiumchlorid

Bild 9: Bio-Kaminanzünder durch eine Spektralbrille;

Periodisch pulsierende Flamme

Bild 10: Erdgasflamme

(Quelle: F. Flemming, TU Darmstadt)

DLR_School_Lab Lampoldshausen

Verbrennungstechnik

Kontrollfragen

Frage   1:             Welche der obigen Flammen sind Vormischflammen, welche sind Diffusionsflammen?

Frage   2:             Welche (der obigen) Flammen rußen am wenigsten?

Frage   3:             Bei welchen Flammen kann man aus dem Flammenbild die Flammentemperatur ablesen?

Frage   4:             Welche Flammen sind instabil?

Frage   5:             Welche Flammen sind die lautesten?

Frage   6:             Welche Flammen sind laminar, welche turbulent?

Frage   7:             Bei welchen Flammen sind Flammenstrukturen erkennbar?

Frage   8:             Warum muss der flüssige Brennstoff vor dem Verbrennen zerstäubt werden?

Frage   9:             Warum rußt die Flamme in Bild 2 so stark?

Frage 10:             Warum ist die Methanolflamme in Bild 8 rot?

Bild 11: CO-Gehalt im Abgas des DLR Blaubrenners für Ölverbrennung im Haushaltsbereich, dessen Flamme in Bild 4 dargestellt ist.

Frage 11:  Warum steigt die CO-Konzentration bei Luftzahlen unterhalb   λ < 1,1  und oberhalb λ > 1,3? Warum sind die „Badewannen“ kleiner bei kleineren Brennerleistungen?

Bild 12: Anzünden des Kaminfeuers

Frage 12:  Was ist richtig, und was ist falsch an dem hier gezeigten Kaminfeuer?

Bild 13:  Kerzenflamme durch eine Spektralbrille

 Frage 13: In welcher der durch Spektralbrille betrachteten Flammen (Bilder 7, 8, 9, 13) bildet sich kein Ruß?

Antworten

Frage  1: Bilder 4, 5 und 6 zeigen Vormischflammen, die anderen Diffusionsflammen. Vormischflammen rußen kaum bei Verbrennung mit Luftüberschuss, sie leuchten meist schwach und sind blau. In Diffusionsflammen bildet sich Ruß, die Flamme leuchtet stark und  ist gelb.

Frage  2: Die Vormischflammen rußen am wenigsten, die Methanolflamme rußt auch als Diffusionsflamme kaum.

Frage  3: Bei rußenden Flammen ist die Flammentemperatur aus der Farbe der Flamme erkennbar. Die heißen Rußpartikel strahlen nach den Gesetzen der Schwarzkörperstrahlung und lassen dadurch die Flammentemperatur messen. (Versuch: optische Pyrometrie). Das Spektralbild rußender Flammen zeigt Regenbogenfarben.

Frage  4: Vormischflammen haben oft eine höhere Neigung zur Instabilität als Diffusionsflammen. Verbrennungsinstabilität bedeutet Flammenabriss, Zündproblem, Auslöschen der Flamme, Feuerraum-Pulsation oder Brennkammer-Explosion.

Frage 5: Vormischflammen sind meist lauter als Diffusionsflammen (Vormischflamme = rauschende Flamme). Besonders laut sind die turbulenten Vormischflammen. Das Rauschen der Flamme kann akustische Instabilitäten in der Brennkammer hervorrufen (Resonanzkatastrophe).

Frage 6: Die Bilder 1, 2, 6, 7, 8, 9 und 13 zeigen laminare Flammen, die Flammen in den Bildern 3, 4, 5, 10 und 12 sind turbulent. Die Strukturen in Bild 9 zeigen keine Turbulenz,  sondern die sogenannte Rayleigh-Taylor-Instabilität.

Frage 7: Deutliche Flammenstrukturen sind in den Bildern 3, 5, 9, 10 und 12 zu sehen. Die sichtbaren Strukturen weisen auf starke Gradienten u.a. in Konzentration, Brennstoff-Luft-Verhältnis, Reaktionsablauf, Flammentemperatur hin.

Frage  8: Nicht die Brennflüssigkeit, sondern die Brennstoffdampf-Luft-Mischung brennt. Wenn die Brennflüssigkeit nicht verdampft, brennt sie auch nicht. Die Verdampfung kann durch Erwärmung beschleunigt werden. Durch die Zerstäubung erhöht sich die Oberfläche, was die schnelle Verdampfung fördert. Die kleinen Tropfen verdampfen besonders schnell.               

Frage  9: In Bild 2 wird die Flamme an der Stelle abrupt abgekühlt, an der die Verbrennung noch nicht abgeschlossen ist. Die Mitte der Diffusionsflammen weist Luftmangel auf, im Luftmangel bildet sich Ruß. Der Ruß leuchtet stark (Diffusionsflamme = leuchtende Flamme). Wenn die Flamme an der Stelle, an der sie stark leuchtet (= viel Ruß enthält) abrupt abgekühlt wird, kann der Ruß nicht verbrennen, die Flamme raucht.        

Frage 10: Methanol verbrennt annähernd rußfrei, die Flamme leuchtet nicht (zum Leuchten werden heiße Rußpartikel benötigt): es ist schwer, die Methanolflamme überhaupt zu sehen. Die in Bild 8 gezeigte Methanolflamme wird durch Strontiumchlorid rot gefärbt. Das Spektralbild zeigt keine Regenbogenfarben – Ruß würde Regenbogenfarben erzeugen.

Frage 11: Bei zu geringem Luftüberschuss fehlt die Verbrennungsluft, die CO-Konzentration steigt. Bei zu hohem Luftüberschuss sinkt die Flammentemperatur, die Verbrennung ist nicht mehr vollständig – dies führt ebenfalls zum Anstieg der CO-Konzentration (Badewannenkurve). Bei kleiner Brennerleistung ist die Flamme kälter, daher steigt der CO-Gehalt bei zu hohen Luftzahlen schneller an.

Frage 12:  Die großen Holzscheite liegen unten, die kleinen oben: Holz verbrennt von oben nach unten – richtig! Die Holzscheite sind zu lang, berühren die Feuerraumwand. An der Wand wird die Flamme abrupt abgekühlt und rußt – falsch (siehe auch Frage 9)!

Frage 13:  Das Spektralbild in Bild 8 zeigt keine Regenbogenfarben, die Methanolflamme rußt nicht (siehe auch Fragen 3 und 10). Die Regenbogenfarben in Bild 7, 9 und 13 deuten auf Rußbildung hin. Der pastellfarbene Regenbogen in Bild 9 zeigt, dass der aus Rapsöl gepresste Bio-Kaminanzünder nur schwach rußt.

Tutor: Zoltán Faragó