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Entzündung von Wasserstoff/Luftgemischen durch Streamerentladungen

04.11.2009

Streamerentladungen entstehen als Vorentladung bei Funkendurchschlägen beim Aufbau eines leitfähigen Kanals. Außerdem können sie bei hohen Spannungen an Spitzen oder scharfen Kanten auftreten. Insbesondere hinsichtlich eines Explosionsschutzkonzeptes elektrischer Geräte im Zusammenhang mit kurzfristigen hochfrequenten Überspannungen infolge von Schaltvorgängen muss die Zündfähigkeit von Streamerentladungen an den spannungsführenden Teilen betrachtet werden. Die Zündfähigkeit wurde dabei in [ 1 ] für Wasserstoff/Luftgemische nachgewiesen. Derzeitiger Forschungsgegenstand ist es mit Hilfe von Simulationen des Entzündungs- und Verbrennungsprozesses ein detailierteres Verständnis vom Zündprozess zu bekommen.
Mit einer Spitze/Platte-Anordnung (siehe Abb. 1) und hochfrequenter Wechselspannung (~700 kHz, bis 20 kV) wurde der Ort der Entzündung mit Hilfe von bildverstärkenden CCD-Kameraaufnahmen untersucht. In Abbildung 2 ist zu erkennen, dass die Entzündung des Gasgemisches in unmittelbarer Nähe der Spitze stattfindet. Als Grund dafür wurde die unterschiedliche Ausbreitung von Streamern an positiver bzw. negativer Spitze gefunden. An der Spitze liegt während eines Spannungszyklus Spannung beider Polaritäten an. Die Ausbreitung der Streamer erstreckt sich für beide Polaritäten in den Nahbereich der Spitze, so dass es dort in beiden Fällen zu einer Aufheizung des Gasgemisches infolge von Streamerströmen kommt. Ab einer bestimmten Temperatur kommt es schließlich zur Zündung [ 2 ].

Mit Hilfe von numerischen Simulationen wurde über einen Vergleich der numerisch berechneten Zündverzugszeiten mit den experimentell bestimmten Zeiten, in denen Spannung anlag und Streamerentladungen zu einer Zündung führten, auf die minimale Temperatur im Ort der Entzündung geschlossen. Dabei wurde sich zu Nutze gemacht, dass die Zündverzugszeiten sehr stark von der Temperatur abhängen und in einem Intervall von 950 K bis 2000 K von 100 s bis 10-6 s über mehrere Größenordnungen variieren. Da die Zeiten aus dem Experiment nicht geringer als die Zündverzugszeiten der Gemische bei der jeweiligen Temperatur sein können bzw. sicher die gleiche Größenordnung haben, kann aus Abbildung 3 auf eine minimale Temperatur im Ort der Entzündung von 1000 K geschlossen werden [ 3 ].

 

[1] F. Lienesch et al., Ignition of Hydrogen/Air Mixtures through Electric Discharges at High Frequency AC Voltage, Chem. Eng. Technol. 32 (2009) 288-291, DOI: 10.1002/ceat.200800528.
[2] T. Langer et al., Streamer Discharges Caused by High-Frequency Voltage Leading to Ignition of Hydrogen/Air Mixtures, 22nd International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, Minsk, Belarus, 2009
[3] T. Langer et al., Ignition of Hydrogen/Air Mixtures by Streamer Discharges, 4th European Combustion Meeting, Vienna, Austria, 2009

Abbildung  1: Streamerkanal in Spitze/Platte-Anordnung nach 100 Spannungszyklen bei 9 kV

 

Abbildung  2: Bildfolge von Streamerentladungen und anschließender Entzündung eines 22% Wasserstoff/Luft-Gemisches

 


Abbildung  3: Numerisch berechnete Zündverzugszeiten für verschiedene Gemischzusammensetzungen bei verschiedenen Temperaturen verglichen mit experimentell ermittelten Zeiten bis zur Zündung

 

Ansprechpartner:

T. Langer, AG 3.73, tim.langer(at)ptb.de