Untersuchung der Partikelbildung beim Abbrand von polykristallinem Graphit

Der erperimentell ermittelte spezifische Massenverlust im Staupunkt m st liegt über dem theoretisch berechneten. Die möglichen Ursachen für diese Abweichungen sind in Abschnitt 4.7 diskutiert. Zur Bestimmung der Erhöhung des Massenverlustes im Staupunkt m st durch eine Erhöhung des Sauerstoffmassenanteiles wurden die bei hoher Temperatur bei YO2 = 0.6 gemessenen Werte zu den bei YO2 = 0,4 bestimmten Massenverlusten m st ins Verhältnis gesetzt. Dieses Ver hältnis stimmt trotz quantitativer Unterschiede der Massenverluste m st für die beiden diesbezüglich untersuchten Graphite überein und wird durch das entsprechende Verhältnis der theoretischen Werte gut wieder = gegeben.

Bei einem Teil der Versuche wurde dem Gasstrom CCI3F zur Unter- drückung der homogenen Reaktion IV lC0 + 02 - " C021 zugemischt. Dadurch werden der gesamte spezifische Massenverlust m t sowie der spezifische und der relative Partikelverlust, m p und M p, gegenüber der Anströmung ohne Inhibitor stark erhöht. Dies ist nirht nur durch das Fehlen der sauerstoffverbrauchenden Reaktion IV zu erklären. sondern durch zusätzliche Reaktionen zwischen den Zersetzungspro dukten von Freon und Kohlenstoff.

Theoretische Ergebnisse Im theoretischen Teil der Arbeit wird der Abbrand des heterogenen Graphitkörpers durch ein Modell beschrieben. das Fülter und Binder als nebeneinander stehende Säulen annimmt. Die Abbrandgeschwindigkeit von Füller und Binder wird durch einen Arrhenius=Ansatz mit für beide verschiedenen kinetischen Konstanten beschriehen. Die Transport vorgänge durch die Strömungsgrenzschicht werden stark vereinfacht angenommen.

Die Rechnungen zeigen, daß die relative Partikelbildung M abhängt von reinen WerkstoffgröHen wie den kinetischen Daten. den Reindichten von Füller und Binder und ihrem Flächenanteil an der der Strömung ausgesetzten Oberfläche. Weitere Parameter sind Sauerstoffmassen- gehalt und Dichte des Gases vor der Kohlenstoffwand. Die beiden letzten Größen werden beeinflußt von den kinetischen Daten von Füller und Binder und der zur KohlenstoFfwand gelangenden Sauerstoff menge. Durch geeignete Wahl der vier kinetischen Parameter Ef. Eb, kOf und kOb können kurven berechnet werden, die die experimentelien Rerte wiedergeben.

fler experimentell ermittelte speziflsche Masaenverlust lm Staupunkt mst liegt über dem theoretisch berechneten. Die möglichen Ursachen für diese Abweichungen sind in Abschnitt 4.7 diskutiert. lur Bestimmung der Erhöhung des 11assenverlustes im Staupunkt m rturch eine Erhöhung des SauerstoFfmassenanteiles wurden die be hoher Temperatur bei YO2 = 0.6 gemessenen Werte zu den bei Y = 0,:4 Os bestimmten 51assenverlusten mst ins Verhältnis gesetzt. Dieses Ver hältnis stimmt trotz quantitativer Unterschiede der bassenverluste m für die beiden diesbezüglich untersuchten Graphite iiberein und wird durch das entsprechende Verhältnis der theoretischen Werte ut wieder- gegeben.

Bei einem Teil der Versuche wurde dem Qasstrom CC1 F zur Unter- drückung der homogenen Reaktion IV O 3 lC0 + = , C021 zugemischt. Dadurch werden der gesamte speziFische Mlassenverlust m sowie der speziFische und der relative Partikelverlust, m und t . gegenüber der Anströmung ohne Inhibitor stark erhöht. Dies ist nii ht nur durch das Fehlen der sauerstoffverbrauchenden Reaktion I\' zu erklären. sondern durch zusätzliche Reaktionen zwischen den Zersetzungspro dukten von Freon und Kohlenstoff.

Theoretlsche Ergebnlsse Im theoretischen Teil der Arbeit wird der Abbrand des hetero enen Graphitkörpers durch ein b1odelI beschrieben. das Füller und Binder als nebeneinander stehende Säulen annimmt. Die Abbrandgeschw=indig - keit von Fülter und Binder w'ird durch einen Arrhenius Ansatz mit für beide verschiedenen kinetischen Konstanten beschriehen. Die 7ransport Vorgänge durch die Strömungsgrenzschicht werden stark vereinFacht angenommen.

Die Rechnungen zeigen, daD die relatlve Partlkelblldung M abhängt von reinen WerkstoffgröHen wie den kinetischen Daten. den Rei ndichten von Füller und Binder und ihrem Flächenanteil an der der Strömun ausgesetzten Oberfläche. Weitere Parameter sind Sauerstoffmassen gehalt und Dichte des Gases vor der Kohlenstoffwand. Die beiden letzten Größen werden beeinfluBt von den kinetischen Daten von Füller und Binder und der zur Kohlenstoffwand gelangenden Sauerstoff menge. Durch geeignete Wahl der vier kinetischen Parameter E . E , kof und )Ob können Kurven berechnet werden, die die experimentell en Werte wiedergeben.

Es esistiert in Übereinstimmung mit den Experimenten ein Grenzwert für hohe 7emperatur tT l. Dieser hängt nur von den Reindichten von Füller und Binder ab sowie von ihrem Anteil an der Gesamtfläche. Er ist unabhängig von kinetischen Daten und TransportgröBen. Der Grenzwert bei tiefer Temperatur lT Ol hängt davon ab. ob die Aktivierungsenergie des Binders gröRer. gleich oder kleiner ist als die des Füllers.

Der 1assenverlust mtund die spezifische und relative Partikelbildung, mp und 51p, werden stark vom Ausgleich der unterschiedlichen Sauer= stoffkonzentrationen unmittelbar an den Oberflächen von Füller und Binder bestimrnt. Diese Konzentrationsunterschiede entstehen bei unterschiedlicher Abbrandgeschwindigkeit und entsprechend unter schiedlichem Sauerstoffverbrauch. Der Ausgleich führt dazu, daA ein Teil des Sauerstoffs. der durch die Strömungsgrenzschicht zum Füller transportiert wird. unverbraucht zum Binder diffundiert und dort reagiert. Dies führt zu einer Erhöhung des gesamten Massenverlustes und der Partikelbildung. die von einem mittleren Abstand von Füller und Binder und von der Diffusionskonstante abhängt.