Benetzungs- und Verdunstungsphänomene bei der Ablagerungsbildung aromatischer Kohlenwasserstoffe

Hänichen, Philipp (2019)
Benetzungs- und Verdunstungsphänomene bei der Ablagerungsbildung aromatischer Kohlenwasserstoffe.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8865

Kurzbeschreibung (Abstract)

Über die vergangenen Jahrzehnte ist der Verbrennungsmotor leichter, leistungsstärker sowie verbrauchs- und emissionsärmer geworden. Mit dem Entwicklungsfortschritt steigen Systemkomplexität sowie thermische und mechanische Beanspruchungen. Die Notwendigkeit schädigende Alterungserscheinungen vorherzusagen und diese mindern zu können nimmt zu. Kraftstoffbasierte Ablagerungen im Motor sind typische Alterungserscheinungen. Unverbrannte Kohlenwasserstoffe oxidieren unter thermischer Beanspruchung und polymerisieren an Brennraumwänden. Strömungsverluste und veränderte Sprayeigenschaften an Einspritzdüsen sind die Folge. Emissionswerte steigen und das Drehmoment wird reduziert. Fluiddynamische, thermodynamische und chemische Prozesse beeinflussen sich wechselseitig an der Wand, in der Gas- und in der Flüssigphase. Einzelne Phänomene können eingeschränkt beschrieben werden und laufen zeitlich und örtlich skalenübergreifend ab. Generische, experimentelle Untersuchungen zu den Wechselwirkungen der physikalischchemischen Prozesse sind nicht bekannt.

Die vorliegende Arbeit liefert einen Beitrag für das grundlegende Verständnis der kraftstoffbasierten Ablagerungsbildung. Die in Wechselwirkung stehenden Prozesse der Benetzung, Verdunstung und Ablagerungsbildung werden an zwei neu entwickelten generischen Prüfständen untersucht. In Screeningexperimenten werden Einzeltropfen in Luftatmosphäre auf einer beheizten Wand verdunstet. Tropfengeometrie und Benetzungszustand werden mit einer Kamera aufgenommen. Verdunstung und Ablagerungsbildung bei Filmströmungen werden in Strömungsexperimenten untersucht. Flüssigkeit breitet dabei sich von einer turbulenten Luftströmung scherkraftgetrieben auf einer elektrisch beheizten Edelstahlfolie aus und verdunstet. Der Benetzungszustand wird auf der Folienoberseite mit einer Kamera aufgenommen. Die Wandtemperatur der Folienunterseite wird mit einer pixelweise kalibrierten Infrarot-Kamera gemessen.

Die Screeningexperimente zeigen, dass die Wandtemperatur und die molekulare Struktur der Kohlenwasserstoffe die Ablagerungsbildung maßgeblich beeinflussen. Das doppelaromatische Methylnaphthalin neigt besonders stark zur Ablagerungsbildung während einfach aromatische Kohlenwasserstoffe (Benzol, Toluol, Xylole) qualitativ deutlich weniger Ablagerungen bilden. Bei höheren Wandtemperaturen bilden sich verstärkt unlösliche, flächige und partikelförmige Ablagerungen. Die ablagerungsbehaftete Fläche ist aufgrund schlechterer Benetzung kleiner. Bei niedrigeren Wandtemperaturen nimmt die Ablagerungsbildung ab. Die Rückstände sind hochviskos, löslich und örtlich breit verteilt. Der Einfluss der Wandtemperatur auf die Ablagerungsbildung ist stärker als der Einfluss der Verweilzeit. Mit einem neu entwickelten Prozess zur Voroxidation der Testflüssigkeiten wurde gezeigt, dass ein höherer Oxidationszustand der Testflüssigkeit die Ablagerungsbildung beschleunigt und das Ablagerungsbild verändert. Bereits nach Verdunstung weniger Tropfen voroxidierten Methylnaphthalins entstehen unlösliche Ablagerungen, welche meist zusammenhängend, flächig und zentral nahe der Aufgabestelle sind und eine glänzende Oberfläche haben.

Die Filmausbreitung bei den Experimenten im Strömungskanal wird maßgeblich vom Eintrag der Flüssigkeit in den Strömungskanal, der Folientemperatur, der mittleren Gasphasengeschwindigkeit sowie vom Flüssigkeitsvolumenstrom bestimmt. Mit steigender Wandtemperatur und steigender mittlerer Gasphasengeschwindigkeit wird der Flüssigkeitsfilm schmaler. Die Welligkeit des Flüssigkeitsfilms nimmt mit steigender Gasphasengeschwindigkeit zu. Eine quasi-stationäre Filmfront stellt sich ein, wenn sich der verdunstende Massenstrom, die nachgeführte Flüssigkeit und der an der Wand polymerisierende Anteil der Schwersieder ausgleichen. Die Anhaftung polymerisierter Schwersieder wird an den Kontaktlinien bei quasi-stationärer Filmfront und bei zurückschreitender Kontaktlinie beobachtet. Bei periodischer Benetzung und Austrocknung der beheizten Folie entstehen qualitativ mehr Ablagerungen als bei quasi-stationären Filmströmungen. Die poröse Ablagerungsschicht wird bevorzugt benetzt, was zu einer Verstärkung der Ablagerungsbildung in diesem Bereich führt.

Mit den entwickelten experimentellen Aufbauten konnten Ablagerungsbildungsprozesse unter reproduzierbaren Bedingungen untersucht werden. Auf sauberen Oberflächen verdunsten Methylnaphthalin und o-Xylol im Modus mit konstantem Kontaktradius. Ablagerungsbedingt entstehen Filmaufrisse und Pinning. Tropfen verdunsten dann im Modus mit konstantem Kontaktradius oder in Mischmodi. Die Arbeit zeigt, dass die Kenntnisse von lokalen Benetzungszuständen und Wandtemperaturen essentiell für die Vorhersage von Ablagerungen sind. Die initiale Benetzung von Wänden und damit auch die Wand- und Materialeigenschaften entscheiden über die Ablagerungsbildung und das Ablagerungswachstum.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2019

Autor(en):

Hänichen, Philipp

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Benetzungs- und Verdunstungsphänomene bei der Ablagerungsbildung aromatischer Kohlenwasserstoffe

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Stephan, Prof. Dr. Peter ; Beidl, Prof. Dr. Christian

Publikationsjahr:

2019

Ort:

Darmstadt

Verlag:

TUprints

Datum der mündlichen Prüfung:

18 Juni 2019

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/8865

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

During the last decades, the combustion engines have become lighter, more powerful, less fuel consuming while emissions have been reduced. However, the thermal and mechanical stress in engine parts increase and make the later more prone to aging damage. This results in a growing necessity to understand aging damage and to reduce it. A typical aging symptom is the fuel based deposit formation. Unburnt hydrocarbons oxidize under thermal stress and polymerize at walls of the combustion chamber. Deposits cause an affected spray cone angle and flow losses at fuel injectors. The combustion process gets uncontrollable which results in reduction of torque and emissions increase. Fluiddynamics, thermodynamics and chemistry interact at the combustion chamber walls, in the gas and the liquid phase. The observed physical phenomena occur in different spatial and temporal scales. Single phenomena can be described only under strong limitations and a big lack of knowledge exists in the understanding of the interactions of the physicochemical processes.

This work is a contribution to a fundamental understanding of the fuel-based deposit formation. By means of two newly designed generic experimental test rigs the interactions of wetting,evaporation and deposit formation are investigated under practical and controllable conditions. Within Screening experiments single drops of various test liquids are evaporated on hot aluminum substrates. The process is recorded with a sideways camera to detect drop geometry and wetting state. The method is a convenient way to identify liquids with a high tendency for deposit formation. The second facility has been designed for the flow channel experiments. A thin liquid film of hydrocarbons is sheared by a gas flow and spreads on a heated stainless steel foil inside a flow channel. The flowdynamics of the liquid phase are recorded by a camera above the foil whereas the wall temperature at the lower side of the foil is measured by a pixel-wise calibrated infrared camera.

The Screening experiments show that the deposit formation strongly depends on the molecular structure of the hydrocarbons and the wall temperature. The drop evaporation of the double aromatic hydrocarbon methylnaphthalene results in strong formation of deposits whereas single aromatic compounds like benzene, toluene and xylenes form less deposits. The wall temperature strongly influences deposit morphology and spreading of deposits. For higher wall temperatures solid, insoluble areal and particulate deposits are formed. Deposit formation takes place more concentrated on the substrate. For lower wall temperatures deposit formation is less noticeable and leads to high viscous soluble residuals remaining widely spread on the substrate surface. Since the evaporation period decreases with increasing wall temperatures, temperature must have a stronger effect on deposit Formation than the retention time of the liquid. It has been shown, that the liquid’s state of oxidation strongly effects deposit formation. Preoxidized methylnaphtalene is turby and contains chemical groups which are known to be precursors of deposit formation. The Evaporation of only few drops already leads to the Formation of an insoluble, areal, connected shiny deposit network, which is concentrated near the impingement area.

A foil heater designed for rivulet flows enables reproducible liquid film development inside the flow channel. The spreading of the liquid film is influenced by the foil temperature, the mean gas velocity and the volumetric flow of the liquid. Increasing foil temperatures and higher mean gas flows lead to decreasing film width. High mean gas velocities result also in increased waviness of the liquid film. A quasi-steady state has been found, in which the mass flows of evaporating liquid, liquid supply and the polymerizing mass of high boiling compounds are balanced. The adhesion of polymerized high boiling compounds is mainly observed near the quasi-steady contact line and for the case of a receding contact line. The strongest deposit formation occurs on a periodically wetted foil heater. A less strong deposit formation is observed for the case of a quasisteady contact line. Porous deposit layers get preferably wetted. A dryout takes longer on deposit layers than on clean foil. This circumstance promotes further formation of deposits on already deposit-covered surfaces.

With the designed experimental test rigs, deposit formation processes have been investigated under controllable conditions. Under clean wall conditions, methylnaphthalene and o-xylene drops evaporate in constant contact angle mode. On deposit-covered surfaces, break-ups and local pinning of the liquid Phase change evaporation mode to either constant contact radius or mixed modes. This work emphasises, that the knowledge of the local wetting state and wall temperature is crucial for predicting fuel-based deposit formation. The initial wetting of walls and withthat wall Surface and material characteristics determine the later deposit formation.

Englisch

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-88651

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Technische Thermodynamik (TTD)
16 Fachbereich Maschinenbau > Fachgebiet für Technische Thermodynamik (TTD) > Sieden & Verdampfen

Hinterlegungsdatum:

25 Aug 2019 19:55

Letzte Änderung:

25 Aug 2019 19:55

PPN: