Zweidimensionale optische Charakterisierung von Rußaggregaten in Flammen

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Stefan Will
• Subject Area: Energy Process Engineering ; Mechanical Process Engineering
• Term: from 2011 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 197014056

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Bei der Synthese von Ruß-Nanoteilchen in Verbrennungsprozessen liegen die entstehenden Partikelaggregate häufig als fraktal-ähnliche Strukturen, bestehend aus wenigen einzelnen bis zu mehreren hundert Primärteilchen, vor. Für ein tieferes Verständnis der komplexen Vorgänge der Rußbildung ist eine lokal aufgelöste morphologische Charakterisierung der Aggregate in situ erforderlich. Im Rahmen des Projektes wurde ein neuartiges Verfahren für eine umfangreiche bildgebende Charakterisierung von Rußaggregaten in Verbrennungsprozessen auf der Basis der Elastischen Lichtstreuung und der Laserinduzierten Inkandeszenz realisiert, getestet und zusätzlich mit Daten aus elektronenmikroskopischen Messungen verglichen. Kernelement war ein Messaufbau, der die sequentielle zweidimensionale Detektion von Streulicht über einen großen Winkelbereich bei gleichzeitigem Erhalt einer scharfen Abbildung des Messvolumens ermöglichte. Die Auswertung der Streulichtdaten für eine akkurate Bestimmung des Trägheitsradius sowie der fraktalen Dimension wurde durch die Entwicklung umfangreicher Software gewährleistet. Der Messaufbau der Laserinduzierten Inkandeszenz ermöglichte des Weiteren die Determination des Primärpartikeldurchmessers sowie der Volumenkonzentration anhand eines komplexen Software-Modells zur Signalinterpretation. Für invasive Vergleichsmessungen wurde ein neuartiger thermophoretischer Probennehmer mit außerordentlichen Bewegungscharakteristiken entwickelt. Der Einfluss der Messspitze auf den laminaren Verbrennungsprozess stellte sich als gering heraus, wodurch eine Validierung laser-optischer Messdaten mittels der Analyse elektronenmikroskopischer Aufnahmen sinnvoll und möglich erscheint. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass sich der experimentelle Ansatz als zielführend erwies, um eine zuverlässige abbildende Bestimmung morphologischer Parameter nanoskaliger Rußaggregate in Verbrennungsprozessen zu ermöglichen.

Publications

• Characterization of Nanoparticles by Imaging Light Scattering Techniques. 10th Int. Conference on Optical Particle Characterization (OPC2014), Tokio, Japan, 10.-14.3.2014
  M. Altenhoff, F. Huber, S. Will
  
• Two-Dimensional Soot Particle Sizing by Combination of Multi-Angle Light Scattering (2D-MALS) and Laser-Induced Incandescence (LII). World Congress on Particle Technology (WCPT), Beijing, China, 19.-22.05.2014
  M. Altenhoff, F. Huber and S. Will
  
• Novel electric thermophoretic sampling device with highly repeatable characteristics. Review of Scientific Instruments 87, 125108 (2016)
  M. Altenhoff, C. Teige, M. Storch, S. Will
  (See online at https://doi.org/10.1063/1.4971988)
• Two-Dimensional Soot Particle Sizing by a Combination of Multi-Angle Light Scattering (2D-MALS) and Laser-Induced Incandescence (LII). 7th International Workshop on Laser-Induced Incandescence, Lake Tahoe, Kalifornien, USA, 19.-22.06.2016
  M. Altenhoff, S. Aßmann, F.J.T. Huber, S. Will