Experimentelle Untersuchung von Diffusionsflammen mit unterschiedlichen Luftlochdurchmessern in einer Baffle‑Platte

Warum winzige Löcher in Brennern wichtig sind

Von Heizgeräten im Haushalt bis zu Kraftwerken und Schiffsmotoren verbrennen viele Anlagen Gas, um Wärme zu erzeugen. Diese Studie untersucht ein überraschend einfaches Detail, das stark beeinflussen kann, wie sauber und effizient diese Verbrennung ist: die Größe der kleinen Luftlöcher in einer Metallplatte im Brenner, der sogenannten Baffle‑Platte. Indem die Forschenden nur diese Lochdurchmesser veränderten und die Brennstoffzufuhr konstant hielten, zeigen sie, wie sich Flammenform, Temperatur, Schadstoffausstoß und Wirkungsgrad verschieben — Erkenntnisse, die helfen können, sicherere und effizientere Gasgeräte zu entwerfen.

Ein genauerer Blick auf eine typische Gasflamme

Das Team konzentrierte sich auf „Diffusionsflammen“, jene Flammentype, bei der sich Brennstoff und Luft erst beim Brennen treffen und mischen, statt vorher vollständig durchmischt zu sein. Diffusionsflammen sind in der Industrie beliebt, weil sie tendenziell stabil und zuverlässig sind, verbrauchen aber oft mehr Brennstoff und erzeugen mehr Schadstoffe als gut durchmischte Flammen. Als Brennstoff wurde Flüssiggas (LPG) verwendet, eine übliche Mischung aus Butan und Propan. Die Forschenden bauten eine Metallprüfkammer — einen einfachen zylindrischen Brenner — und platzierten eine flache Baffle‑Platte mit acht kreisförmigen Luftlöchern kurz stromaufwärts der Gaseinspritzung. Durch Tests mit fünf verschiedenen Lochdurchmessern von 8 bis 15 Millimetern und vier Luft‑Brennstoff‑Verhältnissen konnten sie kontrolliert beobachten, wie dieses eine geometrische Merkmal das gesamte Flammenverhalten verändert.

Wie das Experiment durchgeführt wurde

Die Luft wurde mittels Gebläse in die Kammer gedrückt und präzise gemessen; LPG wurde aus einer Druckflasche durch eine zentrale Düse zugeführt. Der gesamte Brennstoffstrom wurde konstant gehalten, sodass die Wärmeleistung bei 32 Kilowatt blieb, vergleichbar mit einem mittelgroßen Industrie‑Brenner, während die Luftzufuhr variiert wurde, um unterschiedliche Luft‑Brennstoff‑Verhältnisse einzustellen. Das Team bestimmten die Flammenstabilität — wie leicht die Flamme zündet und abreißt — sowie Temperaturkarten innerhalb des Brenners, maximale Flammentemperaturen, Flammenlänge und die Mengen an Sauerstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Stickoxiden (NO) im Abgas. Sie verfolgten außerdem, wohin die Wärme ging: ins Kühlwasser, mit den heißen Gasen nach außen oder verloren durch die Metallwände, um so den gesamten Verbrennungswirkungsgrad zu berechnen.

Welche Auswirkungen die Lochgröße auf die Flamme hat

Die Lochgröße erwies sich als ein starkes Reglerelement. Größere Löcher verringerten die Geschwindigkeit der eintretenden Luftstrahlen und vergrößerten den Bereich der Betriebsbedingungen, unter denen eine stabile Flamme gehalten werden konnte, also das „Stabilitätsfenster“. Gleichzeitig verlagerten diese größeren Löcher die heißeste Zone näher an die Baffle‑Platte und reduzierten sowohl die maximale Flammentemperatur als auch die sichtbare Flammenlänge. Kleinere Löcher erzeugten schnellere Luftstrahlen, die Brennstoff und Luft in der Mitte der Kammer kräftiger vermischten, was zu höheren Spitzentemperaturen und zu weiter nach unten reichenden Flammen führte, jedoch auf Kosten eines engeren sicheren Betriebsbereichs. Die Forschenden fassten diese Trends in einer einfachen Gleichung zusammen, die die Flammenlänge allein aus dem Luft‑Brennstoff‑Verhältnis und dem Lochdurchmesser vorhersagt und ihre Messungen auf etwa 2,5 Prozent genau trifft.

Abwägungen zwischen Emissionen und Wirkungsgrad

Die Gasanalysen im Abgas zeigten ähnliche Kompromisse. Größere Löcher, die die Flamme abkühlten, neigten dazu, das Stickoxid (NO) zu verringern — einen temperaturabhängigen Schadstoff, der zur Smogbildung beiträgt — erhöhten jedoch CO2‑ und CO‑Konzentrationen entlang der Flamme. Kleinere Löcher mit heißeren, kräftigeren Flammen erzeugten mehr NO, ermöglichten aber gleichzeitig eine vollständigere Oxidation von Kohlenmonoxid. Als das Team alle Wärmeflüsse zu einem einzigen Verbrennungswirkungsgrad zusammenführte, stellten sie fest, dass der Wirkungsgrad spürbar sank, wenn der Lochdurchmesser zunahm. So verringerte sich beispielsweise unter bestimmten Luft‑Brennstoff‑Bedingungen der Wirkungsgrad bei einer Vergrößerung des Lochdurchmessers von 10 auf 15 Millimeter um etwa 10 bis 11 Prozent, hauptsächlich weil mehr Wärme mit den Gasen abgeführt oder an die Wände verloren wurde statt nutzbar gehalten zu werden.

Was das für reale Brenner bedeutet

Für Nicht‑Spezialisten lautet die Hauptbotschaft: Winzige Konstruktionsentscheidungen im Inneren von Brennern — etwa der Durchmesser von Luftlöchern in einer einfachen Metallplatte — können das Gleichgewicht zwischen Stabilität, Wirkungsgrad und Emissionen verschieben. Kleinere Löcher können aus der gleichen LPG‑Menge mehr nutzbare Wärme herausholen, erfordern aber eine präzisere Regelung, um Flammenprobleme zu vermeiden, und können bestimmte Schadstoffe erhöhen; größere Löcher machen die Flamme verzeihlicher, verschwenden jedoch mehr Brennstoff und Wärme. Die detaillierten Messungen und die entwickelte einfache Gestaltungsregel bieten Ingenieurinnen und Ingenieuren eine praktische Grundlage, um Brennerhardware auf konkrete Ziele abzustimmen — sei es maximaler Wirkungsgrad, geringere Emissionen oder robuster Betrieb in kompakten Heiz‑ und Energiesystemen.

Zitation: Mohammed, E.S., Gad, H.M., Ibrahim, I.A. et al. Experimental investigation of diffusion flames with different baffle-plate air-hole diameters. Sci Rep 16, 7479 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38141-2

Schlüsselwörter: LPG‑Verbrennung, Diffusionsflammen, Baffle‑Platte, Brennerwirkungsgrad, Flammenstabilität