Thermografie zur Analyse von Verbrennungs- und Explosionsvorgängen
Explosions- und Verbrennungsvorgänge sind hochdynamische Prozesse mit großen Temperaturänderungen. Um diese Vorgänge umfassend analysieren und optimieren zu können, müssen leistungsstarke Thermografiesysteme zum Einsatz kommen.
Thermografie zur Verbrennungsanalyse
Analyse von Verbrennungsvorgängen
Im Bereich der Verbrennungsanalyse werden mithilfe der Thermografie hochdynamische Verläufe von Verbrennungsvorgängen visualisiert und analysiert, indem man Temperaturverteilungen und deren zeitliche Veränderung berührungslos und rückwirkungsfrei mit einer Kamera erfasst. Dabei können unter anderem Hotspots und Anomalien identifiziert werden, die Rückschlüsse auf Ineffizienzen oder das Erkennen von Sicherheitsproblemen erlauben. Durch den Einsatz der Thermografie werden somit nicht nur Prozessoptimierungen ermöglicht, sondern auch Sicherheitsrisiken für Mensch und Umwelt deutlich reduziert.
Die Anwendungsgebiete für Thermografiekameras im Feld der Verbrennungsanalyse sind dabei vielfältig:
Analyse der Temperaturen und deren Verteilung in Verbrennungsöfen
Optimierung von Verbrennungsmotoren und deren Komponenten
Überwachung von Temperaturen an bewegten Teilen von Turbinen und Kompressoren
Analyse von Wärmeübergängen in Abgassystemen
Untersuchung von Brennerkomponenten auf Risse oder Korrosion
Charakterisierung von Kraftstoffen (beispielsweise im Hinblick auf deren Zündeigenschaften)
Rückschlüsse für Energieeinsparpotentiale
Thermografiesysteme für die Verbrennungsanalyse
Um dynamische Temperaturveränderungen präzise erfassen zu können, muss die verwendete Thermografiekamera sehr kurze Integrationszeiten und einen breiten Temperaturmessbereich aufweisen. Diese Anforderungen werden von den Wärmebildkameras der Kameraserie ImageIR® von InfraTec erfüllt. Sie verfügen zudem über einen Multi Integration Time Mode sowie über die Funktion High Dynamic Range zur Realisierung besonders breiter Temperaturmessbereiche. Das gestattet die lückenlose und fehlerfreie Thermografie an Objekten, die einen sehr großen Temperaturgradienten von bis zu mehreren 100 K aufweisen können. Dank bis zu zwei integrierten, motorisch ansteuerbaren Filterrädern sind diese Kameras auch in der spektralen Thermografie perfekt einsetzbar. Damit sind bis zu 35 unterschiedliche Filterkombinationen umsetzbar und direkt motorisch ansteuerbar. Zeitintensive manuelle Filterwechsel gehören somit der Vergangenheit an. Ergänzt wird das Leistungsportfolio durch verschiedene Präzisions-Teleobjektive für qualitativ hochwertige Messungen bei großen Messabständen, aber auch durch die Option der Kombination mit Close-up Optiken, um Verbrennungsvorgänge innerhalb von Messkammern hochauflösend zu analysieren. Temperaturstabilisierte Schutzgehäuse und die Möglichkeit, das Thermografiesystem für den vollautomatisierten Betrieb in eine vorhandene Softwareumgebung zu integrieren, vervollständigen das Spektrum nützlicher Features für die Verbrennungsanalyse.
Thermografie zur Analyse der Eigenschaften von Kraftstoffmischungen
Mit Hilfe der Thermografie können beispielsweise Kraftstoffgemische, die flüssig in den Brennraum eingespritzt und dort entzündet werden, in ihren Zünd- und Verbrennungseigenschaften charakterisiert werden. Dies geschieht unter Varianz einer Vielzahl definierter Umgebungsbedingungen. Zur Bewertung des jeweiligen Gemisches werden mit einer High-Speed-Thermografiekamera die Auswirkungen sowohl des Zündfunkens, der Tröpfchengröße und -verteilung als auch des Flammeneinschwing- und -stillstandsverhaltens betrachtet, analysiert und optimiert. Die komfortable und schnelle Analyse der generierten Messdaten führt zu einer Brennraumauslegung, die eine effizientere Verbrennung und längere Lebensdauer ermöglicht.
Was geschieht in den einzelnen Prozessen und welche Erkenntnisse sind mit Hilfe der Thermografie möglich?
1. Analyse der Zündfunken
Mit einer High-Speed-Thermografiekamera können das Temperaturmaximum des Funkens, die Funkengröße und die Entwicklung des Funkenübergangs geprüft werden. Daraus lassen sich die Auswirkungen der wichtigsten physikalischen Eigenschaften des Funkens auf die Zündung der Verbrennung ableiten. So kann beispielsweise der Einfluss der Funken-Temperatur, der aktiven Fläche und der Position im Brennraum in Abhängigkeit von der Kraftstoffmischung und -konzentration optimiert werden.
2. Analyse des Einspritzsystems/Überwachung der Kraftstoffeinspritzung
In typischen Verbrennungsmotoren für Flüssigbrennstoffe hängt die Effizienz der Zündung und Verbrennung maßgeblich von der Größe und Verteilung der Brennstofftröpfchen ab. Daher ist es erforderlich, die Einspritzvorgänge von Kraftstoffen thermisch zu analysieren. Eine sehr effiziente Methode ist der Einsatz einer speziellen High-End-Thermografiekamera, die mit dem Einspritztakt exakt synchronisiert und deren spektraler Empfindlichkeitsbereich auf die Messaufgabe ausgerichtet ist. Ein gutes Einspritzsystem sprüht den Kraftstoff gleichmäßig und kontinuierlich in den Brennraum. Mit Hilfe der Thermografie können Abweichungen aufgedeckt werden, welche die Effizienz der Verbrennung beeinträchtigen.
3. Untersuchung der Verbrennungsdynamik/Verbrennungsreaktion
Dabei geht es um die Beobachtung des Prozesses vor dem Zündzeitpunkt sowie die Betrachtung des Verlaufs der maximalen Temperatur und der gesamten freigesetzten Energie, die sich aus der verbrennungsaktiven Fläche ergibt. Die Temperaturspitzen beeinflussen den Verbrennungsprozess und können thermische und sogar akustische Instabilitäten zur Folge haben.
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Explosionsvorgänge mittels High-Speed-Thermografie analysieren
Die Thermografie ist eine berührungslose, rückwirkungsfreie und sehr effiziente Messmethode, die gern eingesetzt wird um bei Explosionen ablaufende thermodynamische Prozesse zu beobachten und zu analysieren. Durch die bildhafte Erfassung der von einer bestimmten Objektfläche ausgehenden Infrarotstrahlung mittels geeigneter Thermografiesysteme, können Temperaturverteilungen und deren Änderungen visualisiert, gemessen, aufgezeichnet und mit der dazugehörigen Software umfassend analysiert und dokumentiert werden.
Durch die Visualisierung, Messung und Aufzeichnung der Temperaturverteilung während und nach der Detonation von Sprengstoffen können mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Thermografiekameras die freigesetzte Energie, insbesondere die bei der Reaktion erzeugte Wärme, analysiert werden. Darüber hinaus ermöglicht die Thermografie gegebenenfalls die Messung der Flammenausbreitungs-geschwindigkeit und der Verbrennungseffizienz.
Thermografiesysteme für die Analyse von Explosionsvorgängen
Ebenso wie bei der Verbrennungsanalyse sind bei der Analyse von Explosionen sehr kurze Integrationszeiten erforderlich, um die äußerst dynamischen Temperaturveränderungen ohne Smearing-Effekte erfassen zu können. Zusätzlich können die Thermografiesysteme von InfraTec mit anwendungsspezifischen spektralen Filtern ausgestattet werden. Motorisch aktivierbare Filterräder gestatten es, mit einem Mausklick in der Software die Auswahl aus bis zu 35 Filterkombinationen zu treffen und die Kamera rasch an veränderte Messbedingungen anzupassen. Für detailreiche Aufnahmen von Explosionen großvolumiger Ausbreitung stehen Thermografiesysteme mit einer geometrischen Auflösung bis zu (2.560 x 2.048) IR-Pixeln zur Verfügung. InfraTec bietet eine breite Auswahl an Wechsel-Objektiven unterschiedlicher Brennweiten bis 200 mm sowie Optionen für die motorische Fokussierung einschließlich diverser Autofokus-Modi. Mit der Funktion High Dynamic Range (HDR) kann ein Temperaturmessbereich von -20 °C bis 3.000 °C realisiert werden.
Die aus den Messdaten gezogenen Erkenntnisse helfen u. a. bei der Erarbeitung und Überprüfung von Sicherheitsprotokollen für explosive Materialien oder bei der Berechnung der notwendigen Sprengstoffmenge.
