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Verenum
Strömungsoptimierung vonFeuerräumen mittels Experimentund Computational FluidDynamics (CFD)
Marc-André BaillifardThomas Nussbaumer
Hochschule Luzern – Technik & Architektur
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10. Holzenergie-SymposiumETH Zürich, 12. September 2008
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Titel-Folie Kapitel 1
1. Einleitung2. CFD3. Experimente4. Ergebnisse5. Schlussfolgerungen
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Verenum
Prozess der Holzverbrennung
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Einleitung
Basis – Für eine gegebene Vergasung wird die Ausbrandqualitätdurch die Gasphasenreaktionen bestimmt
– Unvollständige Gasphasenreaktionen => CO, H2, CH4, CxHy, ...
These 1 Vollständige Gasphasenreaktion setzt T T T voraus, also:• Mischung zwischen Gasen und Verbrennungsluft• Ausreichende Verweilzeit der Gase nach der Mischung• Ausreichend hohe Temperatur (T > 850°C)
These 2 Holzfeuerungen mit wärmegedämmter Brennkammer erreichenT > 850°, so dass Mischung und Verweilzeit entscheidend sind
Ziel 1 Methodik zur Bestimmung der Strömungsverhältnisse, darunter Mischung und Verweilzeitspektrum
Ziel 2 Optimierung von Gas/Luft-Mischung und Brennraumgeometrien
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Verenum
Com
bust
ion
cham
ber
Strömungoptimierung von Feuerräumen1. Experimente
a) Reale Situation: Sehr komplexb) Modell-Experimente: z.B. Wind-
tunnels für Auto- oder Flugzeuge(kalte Strömungen ohne Reaktion)
2. Modellierunga) CFD Computational Fluid Dynamicsb) CFRD mit chemischen Reaktionen
Computational Reactive Fluid Dynamics
Modellierung und Experimente werdenparallel verwendet
Gasificationgases
Sec
onda
ry a
ir
Flue gas
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Titel-Folie Kapitel 1
1. Einleitung2. CFD3. Experimente4. Ergebnisse5. Schlussfolgerungen
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CFD: 1. Strömungsvisualiserung: Qualitative Bewertung
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CFD: 2. Mischungseffizienz: Quantitativer Vergleich
Regionen mit Mischungseffizienz > 95%
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CFD: 3. Verweilzeitspektrum
• CFD erlaubt das Berechnen von Verweilzeitspektren
Mit Verweilzeitspektren kann man:• Geometrien quantitativ vergleichen• Schwachstellen von Geometrien erkennen
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Idealfall
Verweilzeitspektren
Pfropfenströmungsreaktor PSR
Realität: gut Realität: weniger gut
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CFRD (I)CFRD erlaubt die Visualisierung von Temperaturen
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CFRD (II)CFRD erlaubt die Visualisierung von Schadstoffen (CO, NOX)
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Verenum
CFRD (III)CFRD erlaubt die Visualisierung von Regionen mit Sauerstoffmangel
Regionen mit Lambda < 1
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Titel-Folie Kapitel 1
1. Einleitung2. CFD3. Experimente4. Ergebnisse5. Schlussfolgerungen
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Hintergrund für ModellversucheModell beschreibt Realität korrekt, sofern „ähnlich“:
1. geometrisch, 2. kinematisch, 3. dynamisch
• Dimensionsanalyse ermöglicht die Definition von einerGruppe von dimensionslosen Kennzahlen
–> Kennzahlen Modell = Kennzahlen Realität
• Die Wahl der dimensionslosen Kennzahlen ist wichtig
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Verenum
Dimensionslose Kennzahlen
MerkmalDefinitionNameRolle
Ma < 0.3 -> inkompressibelMachKompressibilität
Ri << 1 -> kein AuftriebRichardsonAuftrieb
SchmidtDiffusion
Re > ~ 2300 -> Str. turbulentReynoldsTurbulenz &
Mischung
Da >> 1 -> Chemie schnellDamköhlerChemie
c
tDa
!
!=
!
LU "=Re
DSc
!=
2U
HgRi
!"=
a
UMa =
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Beispiel: Modell einer 1 MW Rostfeuerung
Modell-Fluid: Luft, 20°– 80°C
Modell-Massstab: 1 : 5
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Modell Aufbau (1)
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Modell Aufbau (2)
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Messmethoden1. Strömungsvisualisierung mit Tracer
(Rauch, Partikel)- Zugabe von Partikel in einen der zwei Ströme- Beleuchtung einer Ebene (Laser)- Bildaufnahme & Analyse qualitativ oder quantitativ mit PIV
2. Geschwindigkeitsverteilung mitHitzdraht-Anemometer
3. Mischungsqualität mit Partikeln- Erster Schritt wie 1- Bildauswertung: Mischungsgrad ist abhängig von der Partikeldichte
camera
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Messmethoden
Kamera
Laser
Sekundärluft
Primärluft
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Titel-Folie Kapitel 1
1. Einleitung2. CFD3. Experimente4. Ergebnisse: Vergleich Messung/Experiment
5. Schlussfolgerungen
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1. Strömungsvisualisierung
Strömungsvisualisierung mit Partikeln
CFD Ergebnisse (CFX, SST Turbulenz Modell)
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2. Geschwindigkeitsfeld
Höchste Geschwindigkeit am Rand
-> CFD und Experimente stimmen gut überein
Messung
CFD-Berechnung(CFX, SST Turbulenz Modell)
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3. Mischung (Beispiel Brennkammer Rostfeuerung)
989.0=!954.0=!
25.1),(75.0 << yx! 07.1),(95.0 << yx!Mischungsrate:
Mischungseffizienz:
Fall 1 Fall 2
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CFD: Verweilzeitspektrum (Brennraum Stückholzkessel)
Fall 1
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CFD: Verweilzeitspektrum (Brennraum Stückholzkessel)
Fall 2
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Schlussfolgerungen zur Methode1. CFD und Modell-Experimente sind geeignete und sich ergänzende
Methoden zur Optimierung der Strömungsverhältnisse wie Mischungund Brennkammergeometrie
2. CFD ermöglicht- eine schnelle Einschätzung der Qualität einer Brennkammer- umfangreiche Parametervariationen und Variantenvergleiche- eine detaillierte Optimierung der Strömung
3. Modell-Experimente ermöglichen- eine Bewertung der Mischungsqualität- daraus eine Abschätzung der Ausbrandqualität- die Validierung von CFD und wichtiger Phänomene wie Wirbel
–> Das vorgestellte Vorgehen hat grosses Potenzial für Verbesserungen
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Erste Schlussfolgerungen zu Feuerungstechnik1. Gute Vormischung („Düse“ für Sekundärluft) ist vorteilhaft, kann aber
kaum 100% Mischung sicher stellen. Somit sind auch die Strömungund Geometrie der Brennkammer entscheidend.
2. Das Beispiel eines Feuerraums zeigt, dass oft bereits durch dieStrömungsführung allein (d.h. ohne Chemie) ein grossesVerbesserungspotenzial ausgeschöpft werden kann.
3. Das Beispiel einer Rostfeuerung bei Nennlastbedingungen zeigt,dass die Strömung durch Wirbel entscheidend beeinflusst wird unddie Ausbrandqualität verbessern kann.
Mit CFD und Modell-Experimenten können Wirbel und weiterePhänomene optimal ausgenutzt werden, um damit zum Beispiel dasTeillastverhalten zu verbessern.
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Verenum
Ausblick
1. CFD und Modell-Experimente können fürWeiterentwicklungen genutzt werden
2. Dreidimensionale Kaltmodelle fürStrömungsmessungen können mit RapidPrototyping „3D-Printer“ direkt ab CADhergestellt werden
3. Mit Messungen an Feuerungen könnendie Verbesserungen validiert werden
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Verdankung
Kommission für Technische Innovation (KTI)
Liebi LNC AG
Trpimir Brzovic
Prof. Dr. Th. Rösgen, ETH Zürich
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