Das Projekt "Technologische Grundlagen Schadstoffarmer Verbrennung - Numerische Berechnung einer chemisch reagierenden Stroemung in einer gestuften schadstoffarmen Brennkammer" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG durchgeführt. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf der numerischen Modellierung von Drallflammen in Flugtriebwerksbrennkammern und deren NOx-Emissionen. Zur Verifikation der Berechnungen standen die Ergebnisse der Vermessung einer Rechteckbrennkammer mit einfacher Geometrie und einer gestuften Brennkammer zur Verfuegung. Bereits die Simulation der rechteckigen Modellbrennkammer zeigt die Maengel des k-e-Modells bei der Beschreibung von drallstabilisierten Flammen. Die fuer diese Flammen typische Rueckstroemzone stellte sich nur dann ein, wenn der Reaktionsmechanismus und das Verbrennungsmodell der Problemstellung angepasst wurden. Dadurch konnte jedoch eine gute Uebereinstimmung zwischen Messung und Rechnung erzielt werden. Aufgrund der komplexen Geometrie der gestuften Brennkammer fiel hier die Uebereinstimmung der Temperatur- und der Geschwindigkeitsverteilung mit den Messungen schlechter aus. Es zeigte sich, dass das k-e-Modell die Rueckwirkung von Einfluessen auf die Stroemung stromab ueberbewertet. Bezueglich der Modellierung der NOx-Formation stellte sich heraus, dass diese zum heutigen Zeitpunkt nur mit einem grossen Fehler berechnet werden kann. Dies ist im Umstand begruendet, dass die Berechnung der NOx-Emissionen auf mehreren modellierten Stoemungsverteilungen aufsetzt und sich dadurch hier auftretende Fehler im Ergebnis wiederfinden.
Das Projekt "Teilvorhaben: Erarbeitung von Basisdatensaetzen der Feldgroessen Temperatur, Spezieskonzentrationen, Stroemungsgeschwindigkeit und Turbulenzparameter an turbulenten Standard-Drallflammen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Karlsruhe (TH), Fakultät für Chemieingenieurswesen und Verfahrenstechnik, Engler-Bunte-Institut, Bereich Verbrennungstechnik durchgeführt. Das Funktionsprinzip des Drallbrenners wird wegen seiner besonderen Vorzuege hinsichtlich Zuendstabilitaet, Reaktionsdichte und Ausbrandverhalten sowie seiner Moeglichkeiten, Schadstoffbildung zu minimieren (CO, Rest-KWSt, NOx, Russ), in technischen Feuerungen bevorzugt eingesetzt (Kraftwerkskessel, Industrieoefen, Gasturbinen, etc). Mit dem vorliegenden Projekt wird das Ziel verfolgt, hochturbulente Drallflammen ueber mathematische Modellierung mit ausreichender Sicherheit fuer die Praxis vorausberechenbar zu machen. Fuer die im Rahmen von TECFLAM angestrebte Modellentwicklung sind an einem bestehenden Standard-Drallbrenner detaillierte und systematische lokale, feldverteilte Messungen zur Code-Entwicklung und -validierung vorgesehen. Eingesetzt werden bewaehrte, z.T. am Institut entwickelte Messtechniken fuer die Groessen Geschwindigkeit, Turbulenzschwankung, Temperatur, Gasspezieskonzentrationen und Waermestrahlung.
Das Projekt "Teilvorhaben: Modellierung der Wechselwirkung von Turbulenz und Verbrennung in eingeschlossenen Drallflammen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Darmstadt, Fachgebiet Energie- und Kraftwerkstechnik (EKT) durchgeführt. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Validierung eines vollstaendigen Simulationsmodells zur Beschreibung von verdrallten, eingeschlossenen Flammen. Die verwendeten Turbulenzmodelle sollen ueber den Stand der Technik, d.h. die zur Zeit industriell einsetzbaren Modelle, hinausgehen und modernste wissenschaftliche Erkenntnisse beruecksichtigen. Der Schwerpunkt der Modellformulierung soll auf folgenden Gebieten liegen: Neue Turbulenzmodelle, Kopplungsmodelle und Wechselwirkungen von Turbulenz und Verbrennung. Im einzelnen ist geplant, eine Weiterentwicklung und Selektion geeigneter Turbulenzmodelle fuer anwendungsnahe, verdrallte Stroemungen sowie eine Entwicklung geeigneter Kopplungsmodelle fuer Strahlung und Reaktion durchzufuehren. Weiterhin sollen alle Geschwindigkeitsmomente mit einer modernen 3-Komponenten LDA bestimmt werden.
Das Projekt "Messung und Berechnung der Geschwindigkeits- und Konzentrationsverteilungen sowie des Temperaturfeldes in Drallflammen bei diffusorartiger Brenneraustrittsgeometrie" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Gaswärme-Institut e.V. durchgeführt. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht ein in der Literatur beschriebenes Integralverfahren zur Berechnung der zeitlichen Mittelwerte der radialen Geschwindigkeits-, Konzentrations- und Temperaturverteilungen in verdrallten Diffusionsflammen. Bei dieser Berechnungsmethode, die auf der physikalisch begruendeten Analogie von Waermeleitung in festen Koerpern und dem Impuls-, Stoff- und Waermetransport in freien Stroemungen beruht, werden die gemaess der Grenzschichttheorie vereinfachten Impulserhaltungsgleichungen durch eine Transformation in ein fiktives Koordinatensystem linearisiert und anschliessend geloest. Die Verknuepfung der beiden Koordinatensysteme erfolgt mit Hilfe spezieller Koeffizienten, die anhand von Messwerten berechnet und optimiert werden muessen. Als Eingangsgroessen werden die Geschwindigkeits- und Konzentrationsverteilungen in der Duesenaustrittsebene benoetigt. Zur Berechnung und Optimierung der Uebertragungskoeffizienten des Berechnungsverfahrens wurden die radialen Verteilungen der Axial- und Tangentialgeschwindigkeiten, der Konzentrationen von Methan, Sauerstoff und Kohlendioxid sowie der Temperaturen in verdrallten Diffussionsflammen in mehreren Querebenen ueber dem Duesenaustritt gemessen. Neben der Drallstaerke wurde auch der Brennersteinoeffnungswinkel variiert. Die Geschwindigkeitsmessungen erfolgten mit der Laser-Doppler-Anemometrie. Um eine optische Zugaenglichkeit des Duesennahbereiches zu ermoeglichen, wurden die Brennersteine aus temperaturbestaendigem Quarzglas hergestellt. Die in den Strahlengang eingebrachten Brennersteine bewirken u.a. Messpunktverschiebungen, die berechnet und bei der Auswertung beruecksichtigt wurden. Die Grundlagen des Berechnungsverfahrens werden - erstmals - in ausfuehrlicher Form dargestellt und erlaeutert. Der Einfluss, den die Brennersteine auf das Stroemungsfeld ausueben, kann durch spezielle, in die Berechnungsgleichungen implementierte Faktoren beruecksichtigt werden. In gleicher Weise gelingt es, die bei der Verbrennung stattfindenden chemischen Umsetzungen nachzuvollziehen. Durch die Kombination der berechneten Konzentrationsverteilungen mit einem einfachen Reaktionsgleichungssystem ist es schliesslich moeglich, eine Aussage ueber die Temperaturverteilungen zu treffen. Die berechneten Geschwindigkeits-, Konzentrations- und Temperaturverteilungen zeigen in allen Faellen zufriedenstellende bis gute Uebereinstimmungen im Vergleich mit den Messwerten. Die Transportformationskoeffizienten und Faktoren des Berechnungsverfahren lassen sich im allgemeinen mit Hilfe mathematischer Naeherungsfunktionen beschreiben. Das Integralverfahren bietet die vortreffliche Moeglichkeit einer schnellen, ingenieurmaessigen, d.h., anwendungsbezogenen Modellierung verdrallter Freistrahlen und frei brennender Drallflammen, die bereits auf einem herkoemmlichen Personalcomputer durchgefuehrt werden kann.
Das Projekt "Teilvorhaben: Quantitative, mehrdimensionale Laserdiganostik von eingeschlossenen Drallflammen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Heidelberg, Physikalisch-Chemisches Institut durchgeführt. Unter dem Leitthema 'Kraftwerk der Zukunft' spielen die kuerzlich begonnenen anwendungsorientierten Grundlagenuntersuchungen von Drallflammen des Kompetenzzentrums TECFLAM der Universitaeten Heidelberg, Karlsruhe, Darmstadt und Stuttgart sowie die DLR Stuttgart eine zentrale Rolle. Mit den experimentell bestimmten Daten ueber die technisch wichtigen, eingeschlossenen Drallflammen wird die unverzichtbare Validierung der mathematischen Modelle vorangetrieben, die im Rahmen des CRAY-TECFLAM-Vorhabens in eine marktfaehige Software fuer den Kraftwerksbereich umgesetzt werden. Die mehrdimensionale Laserdiagnostik, wie sie im Rahmen von TECFLAM am PCI in Heidelberg entwickelt wurde, liefert wichtige Erkenntnisse zum Verstaendnis der turbulenten technischen Verbrennung. Durch simultane, raeumlich und zeitlich hochaufgeloeste Messung von flaechenhaften Teilchenkonzentrationen und Temperaturen sollen Korrelationen zwischen Schadstoffkonzentrationen und lokalen Temperaturen direkt ermittelt werden.
Das Projekt "Verbundvorhaben der RWTH Aachen: Entwicklung eines CO2-emissionsfreien Kohleverbrennungsprozesses zur Stromerzeugung (OXYCOAL-AC)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Hochschule Aachen, Fachbereich 4, Fakultät für Maschinenwesen, Lehrstuhl für Wärmeübertragung und Klimatechnik durchgeführt. OXYCOAL-AC/WÜK/BP1: 1.1) Experimentelle Untersuchung der Wärmeübertragung, der Verbrennung und Schadstoffbildung bei der Kohlenstaubverbrennung mit O2/CO2/H2O-Gemischen; Erarbeitung von Auslegungsgrundlagen für Brenner und Dampferzeuger-Feuerräume. 1.2) Untersuchung der Eignung einer Heißgasfiltration mit keramischen Filterelementen. 2.1) Experimentelle Untersuchungen von Drall- und Strahlflammen an der Kohlenstaubverbrennungs-Anlage des Lehrstuhls WÜK (Brennkammerdurchmesser 400 mm, max. thermische Leistung 400 kW); Weiterentwicklung von CFD-Berechnungsverfahren mit verbesserten Verbrennungs-, Schadstoffbildungs- sowie von Strahlungsmodellen für die Heizflächenauslegung. 2.2) Messung des Abscheideverhaltens bei der Staubfiltration aus O2/CO2/H2O-Gemischen und Optimierung des Abreinigungszyklus an der Heißgasfilteranlage mit sechs Filterelementen des Lehrstuhls WÜK bei Temperaturen um 800 Grad C; Werkstoffuntersuchungen. 3.) Verwendung der Untersuchungsergebnisse zum Umbau der Versuchsanlage für den Betrieb mit der Hochtemperatur-Membrananlage zur Sauerstofferzeugung; Bereitstellung von Grundlagen zur Optimierung und Auslegung eines O2/CO2-Demonstrationskraftwerks.
Das Projekt "Entwicklung und Optimierung drallstabilisierter, keramischer Flachflammenrekuperatorbrenner zur dezentralen Waermerueckgewinnung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Gaswärme-Institut e.V. durchgeführt. Die Waermerueckgewinnung aus dem Abgas von Waermebehandlungsprozessen ist aufgrund der Bestrebungen zur Senkung der CO2-Emission durch gesteigerte Prozesswirkungsgrade von entscheidender Bedeutung. In der industriellen Praxis sind zahlreiche technische Loesungen zur Rueckfuehrung der Abgaswaerme in den Prozess verwirklicht. Die Vorwaermung der Verbrennungsluft durch dezentrale Rekuperation bietet dabei anlagen- und prozesstechnische Vorteile. Fuer Prozesse mit Ofenraumtemperaturen oberhalb von 1100 Grad Celsius und bei Verfahren mit korrosiven Bestandteilen im Abgas werden keramische Rekuperatorbrenner eingesetzt, wobei die Brenner in der Regel als Impulsbrenner ausgefuehrt sind. Bei zahlreichen Ofenanlagen, wie z.B. Waerme- und Waermebehandlungsoefen, Roehrenspaltoefen und Schnellbrandoefen, bieten drallstabilisierte Flachflammenbrenner verfahrenstechnische Vorteile. Flachflammenbrenner werden entweder ohne Luftvorwaermung oder mit Luftvorwaermung mittels Zentralrekuperator betrieben. In einem am GWI durchgefuehrten Forschungsvorhaben wurde jedoch gezeigt, dass bei drallstabilisierten Flachflammenbrennern das Abgas auch zentral durch den Brenner abgesaugt werden kann. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Optimierung drallstabilisierter Flachflammenrekuperatorbrenner fuer Anwendungsbereiche, bei denen die Abgaswaerme nicht zur Waermgutvorwaermung genutzt werden kann oder eine zentrale Rekuperation zu kostenintensiv oder nicht anwendbar ist. Aufbauend auf den Ergebnissen aus bisherigen Forschungsvorhaben sollen fuer den Loesungsweg sowohl theoretische als auch experimentelle Untersuchungen durchgefuehrt werden. Entsprechend der Vorabberechnung soll ein Flachflammenrekuperatorbrenner fuer eine Brennerleistung von 50 bis 100 kW aus Silizium infiltriertem Siliziumkarbid gefertigt und getestet werden. Bei der experimentellen Bestimmung des Waermetauscherwirkungsgrades werden Standardtemperaturmesstechniken eingesetzt. Ueber eventuelle Kurzschlusseffekte zwischen der austretenden und der abgesaugten Stroemung sollen spektroskopische Messverfahren (UV-Kamera) und Emissionsmesstechniken Aufschluss geben. Zusaetzlich ist vorgesehen, die Steigerung des Strahlungswaermeflusses aufgrund der hoeheren Luftvorwaerm- und Verbrennungstemperaturen der keramischen Brennerausfuehrung mit Radiometersonden zu detektieren. Durch die Entwicklung dieses Brennertyps koennen die Vorteile der dezentralen Luftvorwaermung und der speziellen Waermeuebertragungseigenschaften der Flachflammenbrenner auf das Waermgut den Betreibern von Anlagen mit Prozesstemperaturen bis 1400 Grad Celsius zur Verfuegung gestellt werden. Dabei befindet sich die Regeleinrichtung des Brenners auf der kalten Seite, um eine einfache Prozesssteuerung sowie eine gleichmaessige Waermeuebertragung zu realisieren. In Verbindung mit dem keramischen Flachflammenrekuperatorbrenner koennen neue, kompakte und wirtschaftliche Ofenanlagen konzipiert werden.
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