Tunable diode-laser absorption-based sensors for the detection of water vapor concentration, film thickness and temperature

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Temperatur und Spezies-Konzentration sind elementare Kenngrößen in Verbrennungssystemen. Um den Betrieb von Verbrennungs- und Reaktionsprozessen zu optimieren, die Schadstoffemission zu minimieren und außerdem Validierungsdaten für Simulationen zu generieren, sind quantitative Messungen dieser Kenngrößen notwendig. Laserbasierte Diagnostik-Methoden sind nützliche Verfahren für die berührungslose in-situ Messung innerhalb von Verbrennungssystemen wie z.B. Brenner, Flammenreaktoren und Stoßwellenrohren. Absorptionsspektroskopie mit mehreren faserbasierten und abstimmbaren Laserdioden (tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS) wurde in dieser Arbeit wegen des kompakten, robusten Aufbaus, der kostengünstigen Komponenten und der Zuverlässigkeit aufgrund der optischen Fasern verwendet. In der vorliegenden Arbeit wurde Wasser (H2O) als Untersuchungssubstanz für diese Methode ausgewählt, da es in zahlreichen technisch relevanten Prozessen, im nahen Infrarot-Bereich (NIR) in der Gasphase ein schmalbandiges und in der flüssigen Phase ein breitbandiges Absorptionsspektrum besitzt. Die TDLAS-zwei-Linien-Thermometrie wird zur Temperaturbestimmung in Verbrennungssystemen mit homogener Temperaturverteilung benutzt. In anwendungsnahen Systemen jedoch ändert sich die Temperatur entlang des Strahlweges. In diesem Fall ist ein Temperatur-binning-Verfahren nötig, um aus einer Absorptionsmessung entlang einer Sichtlinie auch auf ungleichförmige Temperaturverteilungen rückschließen zu können. In der vorliegenden Arbeit wurde TDLAS mit einer Kombination von fünf Wellenlängen eingesetzt, um räumlich aufgelöst Temperaturen innerhalb eines Niederdruck-Nanopartikel-Synthesereaktors zu bestimmen. Dabei wurden Temperaturen bestimmt, indem diese in variablen Längen entlang der Sichtlinie als konstant angesehen wurde. Die Längenanteile dieser Wegstrecken mit verschiedenen Temperaturen wurden für vordefinierte Temperaturbereiche bestimmt. Die quantitative Kenntnis der Filmdicke von flüssigen Filmen ist wichtig für zahlreiche industrielle Anwendungen, z.B. die NOx-Reduktion mittels einer Wasser/Harnstoff-Lösung in selektiv-katalytischer Reduktion (selective catalytic reduction, SCR) im Abgas von Dieselmotoren. In der vorliegenden Arbeit wurde ein neuartiger TDLAS-Sensor entwickelt, um gleichzeitig Filmdicke, Filmtemperatur und Wasserdampftemperatur oberhalb des Films zu messen. Die vier eingesetzten NIR-Wellenlängen wurden hierbei auf optimale Empfindlichkeit hin ausgewählt. Der Sensor wurde zuerst in einer Kalibrationszelle mit bekannter Filmdicke und Filmtemperatur validiert und dann an einem freien Film auf einer transparenten Quarzglas-Platte getestet. Zusätzlich wurde der TDLAS-Sensor verwendet, um zeitaufgelöst die Filmdicke während der Einspritzung- und Verdampfungsprozesse innerhalb eines Strömungskanals zu bestimmen.
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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultät / Institut:
Fakultät für Ingenieurwissenschaften » Maschinenbau und Verfahrenstechnik » Institut für Verbrennung und Gasdynamik
Dewey Dezimal-Klassifikation:
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 620 Ingenieurwissenschaften
Beitragende:
Prof. Dr. rer.-nat. Schulz, Christof [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Prof. Dr. Ebert, Volker [Gutachter(in), Rezensent(in)]
Sprache:
Englisch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Datum der Promotion:
12.01.2012
Dokument erstellt am:
05.03.2012
Promotionsantrag am:
20.10.2011
Dateien geändert am:
05.03.2012
Medientyp:
Text