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1991 | Buch

Technische Verbrennungssysteme

Grundlagen, Modellbildung, Simulation

verfasst von: Dr.-Ing. Klaus Görner

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Über dieses Buch

Technische Verbrennungssysteme schlägt die Brücke zwischen den Entwicklern wissenschaftlicher Berechnungsprogramme zur Beschreibung dieser Systeme und deren Anwendern in Planung, Ausführung und Betrieb. Daher steht am Anfang eine Charakterisierung von Verbrennungseinrichtungen, um daran die Möglichkeiten der Anwendung von Simulationen aufzuzeigen. Den Hauptteil bilden Grundlagen zur Beschreibung von Strömung, Reaktion mit Schadstoffbildung und Wärmeübertragung. Dabei wird, nur wenn unbedingt nötig, eine wissenschaftlich fundierte Ableitung der Zusammenhänge angeführt. Der Schwerpunkt liegt auf einer übersichtlichen Zusammenstellung der unmittelbaren Zusammenhänge mit Angabe von weiterführender Literatur. Konkrete Anwendungsfälle zeigen den Entwicklungsstand und die Möglichkeiten solcher Modelle auf.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Verbrennungseinrichtungen

Frontmatter
Kapitel 1. Einführung und Motivation
Zusammenfassung
Der Primärenergieverbrauch in der Bundesrepublik Deutschland betrug im Jahr 1988 390·106tSKE (1tSKE Δ 2,93 · 107 kJ) und teilt sich nach Energieträgern gegliedert gemäß Tab. 1.1.1 auf. Danach liegt der Gesamtanteil der fossilen Energieträger bei ca. 85 . Weltweit liegt er etwa 10 %-Punk- te niedriger. Daß der Anteil an fossilen Energieträgern an unserer Energieversorgung sich auch in naher und mittlerer Zukunft bei ca. 75 % stabilisieren wird, läßt eine Prognose des Weltenergieverbrauchs (Bild 1.1.1, bei Unterstellung eines niedrigen Wirtschaftswachstums) vermuten. Da bei vielen Energieumwandlungsverfahren eine Verbrennung am Anfang steht, zeigen schon diese absoluten Zahlen, wie wichtig auch in Zukunft eine sich den Anforderungen anpassende Verbrennungsführung von fossilen Energieträgern sein wird.
Klaus Görner
Kapitel 2. Einteilung Technischer Verbrennungseinrichtungen
Zusammenfassung
Technische Verbrenmmgseinrichtungen sind in einer Vielzahl von verfahrenstechnischen Prozessen integriert oder sind deren Hauptbestandteil. Zur Untergliederung können nun verschiedene Kriterien herangezogen werden. Hierzu zählen insbesondere
  • der verwendete Brennstoff (gasförmig, flüssig oder fest)
  • der Einsatzbereich (Industrie, Energieumwandlung, Entsorgung, Verbrennungskraftmaschinen oder sonstige) und
  • die absolute thermische Leistung oder als Konsequenz die Anzahl der zum Einsatz kommenden Brenner (Einbrenner- und Mehrbrenneranordnungen).
Klaus Görner
Kapitel 3. Kenngrössen Technischer Verbrennungseinrichtungen
Zusammenfassung
Eine grundlegende Unterteilung des Strömungszustandes erfolgt in laminare und turbulente Strömung. Bei technischen Verbrennungssystemen kann davon ausgegangen werden, daß es sich sowohl innerhalb der Flamme als auch im gesamten Feuerraum um eine turbulente Strömung handelt. Von der Turbulenzintensität und -Verteilung wird eine Reihe von verbrennungstechnisch wichtigen Punkten berührt. Zu nennen sind hier beispielhaft:
  • die globale Strömungsform
  • das Mischverhalten zwischen Brennstoff und Verbrennungsluft
  • das Einmischverhalten von zusätzlichen Strahlen (z.B. zur Eindüsung von NOx- Reduktionsmitteln)
  • lokale Verbrennungsbedingungen
  • Wärme- und Stoffübertragungsvorgänge ganz allgemein oder
  • Ablagerungen von oder Abrasion durch Partikel.
Klaus Görner

Mathematische Modellierung

Frontmatter

Überblick und Einordnung

Kapitel 4. Voraussetzungen Für Eine Mathematische Modellbildung
Zusammenfassung
Wie in Kap. 1.4 schon angedeutet, besteht das Problem einer mathematischen Modellbildung in der Abbildung des physikalischen Prozesses (Verbrennung) auf ein mathematisches Modell (Satz von Gleichungen). Die Gleichungen müssen dabei die Verteilung von charakteristischen Eigenschaften wie Geschwindigkeiten, Temperaturen und Konzentrationen in Raum und Zeit beschreiben (/4.1.1/). Eine erste Voraussetzung ist also, daß es gelingt, den Gesamtprozeß in Teilvorgänge zu zerlegen. Jeder dieser Teilvorgänge muß über geeignete Eigenschaften, den sogenannten Zustandsgrößen, bzw. deren Verteilung eindeutig beschreibbar sein. Diese Teilvorgänge werden i.a. voneinander abhängig sein und sich gegenseitig beeinflussen. Vorab muß aber sichergestellt sein, daß geeignete Gleichungen, sogenannte Transportgleichungen, aufgestellt werden können, die die Verteilungen in Raum und Zeit beschreiben (/4.1.2/, /4.1.3/). Durch Hinzunahme weiterer beschreibender Gleichungen muß die Abbildungstreue gesteigert werden können, so daß diese sich immer weiter an die physikalischen Gegebenheiten annähert. Bei Teilproblemen ist hiermit eine Anpassung an die Aufgabenstellung möglich.
Klaus Görner
Kapitel 5. Ebenen der Mathematischen Modellierung
Zusammenfassung
Bei der Abbildung von Verbrennungsvorgängen auf ein mathematisches Modell sind verschiedene Ebenen der Beschreibung vorstellbar. Dies soll am Beispiel eines Diffusionsvorganges erläutert werden:
  • Mikroskopisch betrachtet handelt es sich bei der Diffusion um eine regellose Bewegung von Molekülen. Mit jedem einzelnen Molekül wird dabei eine Masse einer bestimmten Eigenschaft transportiert. Soll das System auf dieser Ebene beschrieben werden, dann müßte jedes einzelne Molekül bilanziert werden.
  • Makroskopisch betrachtet ist die Diffusion ein Ausgleichsprozeß, durch den Konzentrationsgradienten durch diffusive Stoffströme ausgeglichen werden. Von dieser Warte aus läßt sich der Vorgang mit dem Fick’schen Gesetz über eine stoffspezifische Diffusionskonstante und den Konzentrationsgradienten beschreiben.
Klaus Görner

Kontinuumsbeschreibung

Kapitel 6. Bilanzierung von Zustandsgrössen
Zusammenfassung
Die Verteilung einer Zustandsgröße im Integrationsgebiet (Strömungsgebiet, Flamme, Feuerraum) wird von konvektivem und diffusivem Transport sowie von lokalen Quellen und Senken bestimmt. Hierbei ist zwischen passiven Skalaren und transportierenden vektoriellen Größen zu unterscheiden. Passive Skalare, wie z.B. eine Enthalpie oder die Konzentration einer Spezies bewirken keine direkte Beeinflussung einer anderen Variablen, sie werden selbst nur transportiert. Untereinander sind die beschreibenden Zustandsgrößen gekoppelt, da ja z. B. die Temperatur über den Reaktionsterm (Quellterm) die Reaktionsgeschwindigkeit und damit den Umsatz einer Spezies beeinflußt. Die Geschwindigkeit, eine vektorielle Größe, transportiert über die konvektiven Flüsse direkt einen passiven Skalar (z.B. die Enthalpie) und wird selbst in Form von Impuls transportiert.
Klaus Görner
Kapitel 7. Beschreibung der Strömung
Zusammenfassung
Generell läßt sich eine Strömung in zwei verschiedenen Variablensystemen beschreiben (/7.1.9/). Es sind dies:
  • die sogenannten “primitiven” Variablen, die Geschwindigkeitkomponenten ui und der Druck p, sowie
  • die Stromfunktion Ψ und die Wirbelstärke ξ.
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Kapitel 8. Beschreibung des Brennstoffabbrandes
Zusammenfassung
Ziel dieses Kapitels soll sein, Ansätze für den Abbrand, d.h. die chemische Reaktion, technischer Brennstoffe aufzuzeigen. Unter technischen Brennstoffen sind Gas, Öl und Kohle zu verstehen. Für andere, wie Müll, industrielle Rückstände und Schlämme, können keine allgemeingültigen Modellierungsansätze angeführt werden, da die Zusammensetzung und damit die an den Reaktionen beteiligten Spezies meist nur unzureichend bekannt sind. Für solche Brennstoffe kann das vorliegende Kapitel nur Anhaltswerte liefern.
Klaus Görner
Kapitel 9. Beschreibung der Schadstoffentstehung
Zusammenfassung
Unter Schadstoffen seien in diesem Zusammenhang alle den Menschen, die Fauna und Flora gefährdenden Emissionen aus Verbrennungsvorgängen zusammengefaßt. Das Gefährdungspotential ist dabei sehr unterschiedlich, es kann bei einzelnen Spezies genau eingestuft werden, bei anderen ist die Wirkdosis umstritten oder nicht genau festlegbar, bei vielen (Spurenelemente) kann eine Schädlichkeitsgrenze im Augenblick nicht angegeben werden, eine Schadwirkung kann damit aber auch nicht ausgeschlossen werden.
Klaus Görner
Kapitel 10. Beschreibung der Wärmeübertragung
Zusammenfassung
Beim Verbrennungsprozeß wird im Verbrennungsraum lokal unterschiedlich viel thermische Energie entbunden. Dies führt zu Temperaturunterschieden und damit zu Temperaturgradienten. Nach dem Fourier’schen Gesetz ist mit dem Temperaturgradienten ein Energieaustauschstrom, ein Wärmestrom, verbunden. Parallel zu dieser Wärmeleitung in der Gasphase steht jedes Kontrollvolumen im Strahlungsaustausch mit allen übrigen Kontroll-volumina und mit den Umfassungswänden der Feuerung. Bei der heterogenen Verbrennung findet ein Teil der Energiefreisetzung direkt am Partikel statt, wodurch die Teilchentemperatur gegenüber der Gastemperatur erhöht wird. Hierdurch kommt es zu einem zusätzlichen Strahlungsaustausch zwischen Partikel- und Gasphase und zwischen der Partikelphase und den Umfassungswänden. Bedingt durch die erzwungene Strömung vom Brenner zum Feuerungsauslaß wird Energie auch durch Konvektion transportiert. Für Gasfeuerungen und für stark verdünnte Öl- oder Kohlefeuerungen (geringe Tropfen- oder Partikelbeladungen) sind dies die wesentlichen Übertragungmechanismen. Bei einer Wirbelschichtfeuerung ist die Anzahl der Stöße der Brennstoffpartikel untereinander so groß, daß auch mit einer Energieübertragung durch diese direkten Stöße zu rechnen ist. In dieser optisch extrem dichten Umgebung kann der Energieaustausch durch Strahlung nur die direkt benachbarten Volumenbereiche erreichen. Dies erleichtert zwar die Modellierung des Strahlungsaustausches, erschwert aber die Beschreibung der optische Eigenschaften der Gesamtsuspension.
Klaus Görner

Einzelteilchenbeschreibung für die Flüssig- und Feststoffphase

Kapitel 11. Bewegung von Tröpfchen und Partikeln
Zusammenfassung
Zur Berechnung des Bewegungsverhaltens eines Einzelteilchens, das diskret in einer kontinuierlichen Phase suspendiert ist, muß zunächst eine Impulsbilanzgleichung bzw. eine Bewegungsgleichung angegeben werden.
Klaus Görner
Kapitel 12. Reaktion und Stoffaustausch bei Tröpfchen und Partikeln
Zusammenfassung
Für die Bilanzierung der chemischen Spezies ist zwischen der Verteilung im Innern eines Teilchens und der Verteilung in der umgebenden Grenzschicht bis zum Erreichen der Umgebungsbedingung zu unterscheiden. Prinzipiell gelten hierfür die gleichen Bilanzen, es ist jedoch jeweils mit anderen dominanten Effekten zu rechnen. Im Teilcheninnern erfolgt der Stoffaustausch hauptsächlich durch Diffusionsvorgänge. Gleichzeitig laufen hier heterogene Oberflächenreaktionen ab, die bedingt durch Adsorptions- und Desorptionsvorgänge geschwindigkeitsbestimmend sein können. In der Grenzschicht findet konvektiver und diffusiver Austausch statt, wobei jedoch oft die Verteilung der Spezies innerhalb der Grenzschicht von untergeordneter Bedeutung ist, so daß mit einem Stoffübergangskoeffizienten das Gesamtaustauschverhalten der Grenzschicht beschrieben werden kann.
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Kapitel 13. Energieaustausch bei Tröpfchen und Partikeln
Zusammenfassung
In Analogie zur Massenbilanzgleichung für ein Einzelteilchen (Gl. 12.1.1) kann sehr schnell die Enthalpiebilanzgleichung abgeleitet werden. Dabei entsprechen die Energieströme den Stoffströmen.
Klaus Görner
Kapitel 14. Kopplung Zwischen Kontinuums- und Einzelteilchenbeschreibung
Zusammenfassung
Um eine Kopplung zwischen einer Kontinuumsberechnung (Euler) und einer Einzelteilchenberechnung (Lagrange) herzustellen, werden an einem Kontrollvolumen die Zusammenhänge aufgezeigt.
Klaus Görner

Spezielle Modellierungsansätze

Kapitel 15. Modellierungsansätze für Wirbelschichtfeuerungen
Zusammenfassung
Phänomenologisch betrachtet verhält sich in strömungstechnischer Hinsicht eine Wirbelschichtfeuerung ähnlich wie eine Staubfeuerung. Ein wesentlicher Unterschied ist die deutlich höhere Feststoffbeladung, was dazu führt, daß die in Kap. 7 angeführte Turbulenzmodellierung nicht mehr anwendbar ist. Dies bezieht sich insbesondere auf die Modifizierung der turbulenten Viskosität, durch die der Einfluß der Partikelphase auf die Turbulenzstruktur der Gasphase näherungsweise berücksichtigt wurde. Auch eine Einzelteilchenbeschreibung (Kap. 11) wird deutlich erschwert, da durch die hohe Teilchenkonzentration neben der Interaktion Partikel - turbulentes Trägerfluid in hohem Maße auch direkte Stöße der Teilchen untereinander auftreten. Vergleichbar große Probleme treten ebenso bei der Beschreibung des Wärmeübertragungsverhaltens auf. Der mit steigender Beladung abnehmende freie Strahlweg (Einzelstrahl der thermischen Strahlung) wird immer kleiner und damit die Häufigkeit einer Wechselwirkung mit einer Festkörperoberfläche höher. Insgesamt sinkt der Anteil der thermischen Strahlung an der Wärmeübertragung und neben dem konvektiven Transport über die Gasphase spielt eine direkte Energieübertragung durch Teilchenstöße eine Rolle. Hierzu sind Annahmen über Kontaktzeit und -fläche äußerst schwierig zu formulieren.
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Lösung des Gleichungssystems

Frontmatter
Kapitel 16. Mathematische Eigenschaften der Beschreibenden Gleichungen und Numerische Lösungsmethoden
Zusammenfassung
Mit dem Aufstellen von Transportgleichungen für den Impuls, die Konzentrationen und die Temperatur und der Angabe von Randbedingungen in Raum und Zeit ist das vorliegende Problem mathematisch gesehen festgelegt. Um daraus die gewünschten räumlichen Verteilungen zu erhalten, müssen die Gleichungen integriert werden. Auf analytischem Weg gelingt es nicht, eine geschlossene Lösung anzugeben.
Klaus Görner
Kapitel 17. Numerische Lösungsverfahren bei der Finiten Differenzen Methode
Zusammenfassung
Der erste Schritt zur Erzielung einer numerischen Lösung einer Differentialgleichung ist die Diskretisierung des Lösungsraums und in der Folge die Überführung der Differentialquotienten in Differenzenquotienten. Hierbei ist zwischen Orts- und Zeit-Differentialquoti-enten zu unterscheiden. Die räumliche Diskretisierung des Lösungsraums bestimmt direkt die Lage der räumlichen Stützstellen. Welche Stützstellen zur Approximation der Differentialquotienten herangezogen werden, bestimmt die Ordnung des Differenzenschemas. Die zeitliche Diskretisierung kann sowohl explizit, implizit oder in einer Mischform erfolgen. Interessiert man sich nur für eine stationäre Lösung, dann kann auf das zeitabhängige Glied in der Transportgleichung verzichtet werden. Die Wahl der Zeitdiskretisierung bestimmt dominant die Konvergenzgeschwindigkeit (die Zeit, in der eine Lösung aufgefunden wird), während die Ortsdiskretisierung hauptsächlich die Genauigkeit der Lösung prägt. Eine problemangepaßte Auswahl der Orts- und Zeitdiskretisierung stellt eine notwendige, aber nicht hinreichende Bedingung für eine konsistente numerische Lösung dar. Die Konsistenz, d.h. ein schlüssiger Satz von approximierten Lösungsfunktionen, muß jeweils zusätzlich überprüft werden. Insbesondere muß eine Unabhängigkeit der Approximationsfunktion vom gewählten Gitter vorliegen, was La. durch Rechnungen in einem zunehmend feiner werdenden Gitter nachgewiesen werden kann.
Klaus Görner

Simulation

Frontmatter
Kapitel 18. Simulationsbeispiele
Zusammenfassung
In diesem Kapitel soll an ausgewählten Berechnungsbeispielen die Leistungsfähigkeit der aufgezeigten mathematischen Teilmodelle bzw. des Gesamtmodells demonstriert werden. Dabei wird zwischen zweidimensionalen Einzelflammen- und dreidimensionalen Feuerraumberechnungen (Dampferzeugerfeuerungen) unterschieden. Die Beispiele beziehen sich auf Kohlenstaub als Brennstoff.
Klaus Görner
Backmatter
Metadaten
Titel
Technische Verbrennungssysteme
verfasst von
Dr.-Ing. Klaus Görner
Copyright-Jahr
1991
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-642-84488-1
Print ISBN
978-3-540-53947-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-642-84488-1