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Diese Arbeit beschäftigt sich mit der simulativen Untersuchung von Strömung und Wärmeübergang im Kontext von Vorkammerzündsystemen. Dies geschieht im Rahmen der Entwicklung eines Gasmotors mit gasgespülter Vorkammer. Entscheidene Größen für die Strömung und Arbeitsweise in einer Vorkammerzündkerze sind die Geometrie und Anordnung der Überströmbohrungen, das Vorkammervolumen und die Form der Vorkammer. Die Betrachtung wird dafür aufgeteilt in die Themen Spaltströmungen, Wärmeübergang und drallbehaftete Strömungen. Diese werden zunächst isoliert betrachtet und letztendlich in einem Anwendungsfall zusammengeführt. Für die Betrachtung von Spaltströmungen werden unterschiedliche Platten mit Bohrlöchern zu verschiedenen Drücken, Durchmessern und Plattenstärken durchströmt und der Wärmeübergang und der Drall werden mithilfe einer durch Leitbleche gelenkte Strömung in einem beheizten Rohr untersucht. Die Zusammenführung der Themen wird anhand einer Anströmvorrichtung für Brenngase auf Motorzylinder durchgeführt. Dabei erreichen die Gase hohe Temperaturen und aufgrund von hohen Drücken und Spaltströmungen große Geschwindigkeiten.
Für die Simulation werden die Programme Ansys Fluent und Ansys Forte verwendet. Während ersteres primär für die Simulation von Strömungen verwendet wird, ist Forte speziell aufgebaut, um in Verbrennungsmotoren neben der Berechnung der Strömung auch die Einspritzung von Kraftstoff, die Verbrennung dessen und die resultierenden Schadstoffe zu berechnen. Da die Ergebnisse aus Forte eine große Gewichtung in der Beurteilung der Entwicklungsarbeit des Gasmotors hat, muss Forte selbst validiert werden. Dies wird durchgeführt anhand der angesprochenen Teilthemen und verglichen mit Messungen aus der Literatur und Simulationsergebnissen in Fluent.
In this work the adsorption of CO2 and CH4 on a series of isoreticular microporous metal–organic frameworks based on 2-substituted imidazolate-4-amide-5-imidates, IFP-1–IFP-6 (IFP = Imidazolate Framework Potsdam), is studied firstly by pure gas adsorption at 273 K. All experimental isotherms can be nicely described by using the Tòth isotherm model and show the preferred adsorption of CO2 over CH4. At low pressures the Tòth isotherm equation exhibits a Henry region, wherefore Henry's law constants for CO2 and CH4 uptake could be determined and ideal selectivity αCO2/CH4 has been calculated. Secondly, selectivities were calculated from mixture data by using nearly equimolar binary mixtures of both gases by a volumetric–chromatographic method to examine the IFPs. Results showed the reliability of the selectivity calculation. Values of αCO2/CH4 around 7.5 for IFP-5 indicate that this material shows much better selectivities than IFP-1, IFP-2, IFP-3, IFP-4 and IFP-6 with slightly lower selectivity αCO2/CH4 = 4–6. The preferred adsorption of CO2 over CH4 especially of IFP-5 and IFP-4 makes these materials suitable for gas separation application.
High pressure adsorption phenomena are discussed for different gases on HKUST-1 (Cu3(BTC)2, commercially available product BasoliteTM C300). Sorption isotherms for hydrogen, nitrogen, methane and carbon dioxide on HKUST-1 were measured in the temperature range of 273–343 K and at pressures up to 50 MPa. The calculated surface excess adsorption capacities for all four adsorptive are one of the highest reported in the literature for HKUST-1 samples. All surface excess data were further calculated from the experimental data by using the helium buoyancy correction. A detailed description was given.
Also a procedure to calculate the absolute amount adsorbed from the surface excess amount by using two different models is shown. Using one model, the density and the volume of the adsorbed phase can be calculated. The density of the adsorbed phase ρads corresponds to the liquid density of the adsorptive at its boiling point ρliq,BP. In case of hydrogen no excess maximum was found up to 50 MPa, so that one model could not be applied. Finally, the isosteric heat of adsorption for each gas was calculated by using the Clausius–Clapeyron equation.
This work provides a series of methane adsorption isotherms and breakthrough curves on one 5A zeolite and one activated carbon. Breakthrough curves of CH4 were obtained from dynamic column measurements at different temperature and pressure conditions for concentrations of 4.4 – 17.3 mol.‐% in H2/CH4 mixtures. A simple model was developed to simulate the curves using measured and calculated data inputs. The results show that the model predictions agree very well with the experiments.