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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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Spraybildung und Verbrennung von flüssigen Brennstoffen
Sprays kommen in einer großen Anzahl verfahrenstechnischer Prozesse (Spraytrocknung, Farbsprays, Verbrennung, usw.) zum Einsatz. Abhängig vom Anwendungsfall muss das Spray unterschiedliche Eigenschaften bezüglich Tropfengröße und Tropfengrößenverteilung aufweisen. Diese Parameter werden wesentlich durch die Konstruktion der Düse beeinflusst.
In der Verbrennungstechnik ist es nun ein wesentliches Ziel die in vielen Bereichen eingesetzten Verbrennungssysteme für flüssige Brennstoffe bezüglich ihres Energieverbrauchs und der Schadstoffemissionen zu optimieren. Da die Verbrennung von flüssigen Brennstoffen über die Verfahrensschritte Zerstäubung, Verdampfung, Mischung mit der Verbrennungsluft und Reaktion abläuft, ist für die Optimierung der entsprechenden Brenner eine genaue Kenntnis der einzelnen Teilschritte und der wesentlichen Einflussparameter erforderlich.

Die im Institut vorhandene Infrastruktur ermöglicht die Charakterisierung von Sprays bezüglich Ströumungsfeld und Tropfengrößen beziehungsweise -verteilungsdichten. Hierzu steht ein Zerstäubungsmessstand an dem mit dem Particle Dynamics Analyser, dem Laser Licht Schnitt Verfahren und der Ultra Kurz Zeit Fotographie Untersuchungen durchgeführt werden können zur Verfügung. Zur Untersuchung der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen in hochturbulenten technischen Flammen, steht eine Brennkammer mit einer thermischen Leistung bis 300 kW zur Verfügung. Die dafür eingesetzte Messtechnik reicht von konventionellen gekühlten Sonden bis zu optischen, berührungslosen Messmethoden zur Bestimmung von Geschwindigkeit, Temperatur und Gemischzusammensetzung.

Ausführliche Beschreibung

 

Machine learning for Advanced Gas turbine Injection SysTems to Enhance combustoR performance
(MAGISTER)


Das Projekt wird im Rahmen von Marie Skłodowska-Curie Actions als Innovative Training Network (ITN) gefördert.

Der Luftverkehr wird in den nächsten Jahrzehnten voraussichtlich weiter wachsen. Saubere Verbrennungstechnologie für Flugzeugtriebwerke ist ein Schlüsselfaktor, um die Auswirkungen dieses Wachstums auf die Ökosysteme und die Gesundheit der Menschen zu verringern. Die Vision für den europäischen Luftverkehr wird durch die Ziele des Advisory Council for Aviation Research and Innovation in Europe in the Flight Path 2050 geprägt, das strenge Vorschriften zu Schadstoffemissionen definiert.

Um diese Ziele zu erreichen, entwickeln die großen Motorenhersteller mager vorgemischte Brennkammern, die mit sehr hohem Druck betrieben werden. Diese Entwicklung birgt ein großes Risiko für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Motoren: Druckschwankungen in der Brennkammer, die als Thermoakustik bezeichnet werden.

Die Luftfahrtindustrie erlebt derzeit die vierte industrielle Revolution: Cyberphysikalische Systeme analysieren und überwachen technische Systeme und treffen automatisierte Entscheidungen. Diese industrielle Revolution wird in Deutschland als "Industrie 4.0" und in den USA als "Industrial Internet" bezeichnet. Ein wesentlicher Treiber der vierten industriellen Revolution ist Machine Learning.

Das ITN MAGISTER wird Machine Learning nutzen, um die Thermoakustik in Flugzeugtriebwerksbrennkammern vorherzusagen und zu verstehen, und die Verbrennungsforschung zu einem revolutionären neuen Ansatz in diesem Bereich hinzuführen.



Renewable Power Generation by Solar Particle Receiver Driven Sulphur Storage Cycle
(PEGASUS)
In PEGASUS wird ein neues Verfahren für die Elektrizitätserzeugung auf Basis erneuerbarer Energie untersucht. Dieses Verfahren kombiniert die Technologie des konzentrierenden Energieeintrags aus Sonnenenergie durch einen Kollektor auf Basis einer Partikelzentrifuge mit einem Energiespeichersystem auf Schwefelbasis. Der vorgeschlagene Prozess verbindet strömende Partikel als Wärmeübertragermedium, die zusätzlich als direktes thermisches Speichermedium verwendet werden können, mit der indirekten thermochemischen Speicherung von Sonnenenergie in festem Schwefel. Dadurch wird die Einbindung eines Sonnenkraftwerks als regenerativer Stromerzeuger im 24-Stunden Betrieb ermöglicht.

Prozessschema des solaren Schwefelkreisprozesses / Bildquelle: DLR

Das übergeordnete Ziel von PEGASUS ist die Entwicklung und Demonstration eines innovativen Sonnenturm Systems das auf einem Kollektor mit festen Partikeln basiert in Kombination mit einem thermochemischen Speichersystem für Sonnenenergie auf Grundlage von elementarem Schwefel.  So soll eine verlässliche Stromerzeugung bei signifikanter Kostenreduktion im Vergleich zu aktuellen Konzepten ermöglicht werden. Die Technologie wird unter realen Bedingungen im Sonnenturm Jülich (STJ) in Deutschland erprobt.
Dazu müssen vom KIT die folgenden projektspezifischen technischen Ziele erreicht werden:  
  • Die Entwicklung und Realisierung eines neuen Schwefelbrenners im Laboratoriumsmaßstab, der es ermöglicht in einem Bereich von 10-50 kW stabile Verbrennungsbedingungen mit > 99% Verbrennungswirkungsgrad und Leistungsdichten von > 1,5 MW/m3 (Dies entspricht einem Wert, der dreimal höher ist als bei konventionellen Schwefelverbrennungsanlagen) unter atmosphärischen Bedingungen und Temperaturen >1400°C .
  • In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern wird die Durchführbarkeit des Gesamtprozesses demonstriert, das detaillierte Gesamtfließschema erstellt und eine Analyse des optimierten, integrierten Prozesses, der auf 5MWth skaliert ist, durchgeführt. Dabei wird auch eine Bewertung der Technologie gegenüber der Zielstellung durchgeführt.

Weitere Informationen sind in einer Pressemitteilung des KIT erläutert und an der Internetseite des Projekts (Link unten).

 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts wurden in den vergangenen Jahren auch folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


Primary Atomisation
(Pri-Atom)

Motivation/ Ziel
Das Prinzip der Airblast-Zerstäubung wird in zahlreichen technischen Anwendungen wie z.B. Gasturbinen und Vergasung von Slurries eingesetzt, um den flüssigen Brennstoff in die Gasphase zu überführen.  Dabei wird davon ausgegangen, dass der Flüssigkeitsfilm durch die von der Luftströmung übertragene Schubspannung zur Zerstäuberkante transportiert wird. Dort reißt er ab und zerfällt in primäre Ligamente (=Flüssigkeitsfäden), die ihrerseits durch die Sekundärzerstäubung das Spray bilden.

Neueste experimentelle Arbeiten [1] auf diesem Gebiet zeigen jedoch, dass ab einer Weber-Zahl von


eine intensive Wellenbildung des Flüssigkeitsfilms stattfindet. Aus den Wellenkämmen spalten sich Ligamente ab, so dass die Zerstäubung weit fortgeschritten ist, bevor der Film die Zerstäuberkante erreicht hat (Abbildung 1).

 

 

Abbildung 1: Ligamentenabspaltung bei hohen We-Zahlen [1].

 

Mit den zukünftig angestrebten Prozessdrücken von bis zu 60 bar geht gleichzeitig eine Erhöhung der Dichte einher, wodurch Weber-Zahlen größer als 100 erreicht werden. Somit ist die Untersuchung des oben beschriebenen Phänomens für zukünftige Entwicklungen von großer Bedeutung.

 
Methode
In einer ersten Phase wird ein Experiment, das sich an [1] orientiert, ausgelegt und durch numerische Simulation nachvollzogen. Die numerische Simulation berechnet die zweiphasige Strömung mit der „volume of fluid“-Methode (VOF), die von Hirt und Nichols etabliert worden ist [2]. Die Phasengrenzfläche wird hier auf Basis des Volumenanteils der Fluide, die in einem Kontrollvolumen (einem Volumen des Rechengitters) enthalten sind, beschrieben. Sie unterscheidet sich somit von den sog. Oberflächenmethoden. Die Fluide auf beiden Seiten der Grenzfläche werden dazu mit einer Indikatorfunktion (γ) markiert, die den genannten Volumenanteil einer spezifizierten Phase angibt. Aus diesem Grund ist die genaue Position der Grenzfläche nicht direkt bekannt und muss zur Rekonstruktion mit speziellen Interpolationsmethoden angenähert werden. Die Bilanzgleichungen der Strömung werden für beide Phasen gelöst und können für Kontrollvolumen mit 0<γ<1 mit dem jeweiligen Volumenanteil gewichtet und einem zusätzlichen Term für Kopplung der Impulsgleichungen versehen werden. Der Volumenanteil selbst kann mit einer Transportgleichung ohne diffusiven Term beschrieben werden. An dieser Stelle tritt auch die Hauptschwierigkeit der VOF- Methode auf, da durch das Fehlen des diffusiven Terms numerische Ungenauigkeiten zu instabilem Verhalten führen kann.
Im Rahmen dieses Projekts soll die VOF Simulation mit dem Softwarepaket OpenFOAM durchgeführt werden. Hier wird das Problem des Transports der Indikatorfunktion durch ein Level-Set Verfahren gelöst. [3,4]
 
In der zweiten Phase wird das Grundlagenexperiment aufgebaut und untersucht. Die Bildung der Ligamente wird mit einer Hochgeschwindigkeitskamera erfasst und ausgewertet.
 
In der dritten Phase wird durch den Vergleich zwischen Simulation und Experiment die Entwicklung von empirischen Korrelationen erfolgen. Diese geben die Größe der Ligamente aus dem Primärzerfall als Funktion der thermodynamischen Parameter (Druck, Temperatur) und den Strömungsbedingungen (Geschwindigkeit, Turbulenz) sowie der stofflichen Eigenschaften des zu zerstäubenden Fluides (Oberflächenspannung, Viskosität) wieder.
 

Literatur:

[1]    U. Bhayaraju, C. Hassa, ICLASS06-073, (Konferenzbeitrag). 2006. Surface wave propagation and breakup in planar liquid sheets of prefilming airblast atomisers.

[2]    C. W. Hirt, B. D. Nichols, J. Comput. Phys. 1981, 39, 201–225. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries.

[3]    E. Olsson, G. Kreiss, J. Comput. Phys. 2005, 210, 225–246. A conservative level set method for two phase flow.

[4]    E. Olsson, G. Kreiss, S. Zahedi, J. Comput. Phys. 2007, 225, 785–807. A conservative level set method for two phase flow II.


Umsetzung von flüssigen Brennstoffen durch flammenlose Oxidation
(COSI-TPA5)

Aufbau einer Brennkammer für FLOX mit Flüssigbrennstoffen. Charakterisierung von Strömungsfeld und Spraybildung. Zusammenhang zwischen Spraycharakteristiken und Zünd- und Löschverhalten sowie Schadstoffbildung soll untersucht werden.


Low Emissions Core-Engine Technologies
(LEMCOTEC)
Improvement and optimisation of PERM system (together with AVIO, UNI FI, CIAM)
  • Obtain the 65% NOx reduction at Injection System level, according to ACARE target, technology evolution of AVIO‟s PERM Injection System from NEWAC (see description)
  • Verify injection system operability at critical engine cycle points, to fulfil specific requirements like ignition and lean blow out behaviour at idle conditions and combustion instabilities control at high power.
  • Extend the performance of the PERM_EV injection system at real regional engine conditions for high OPR cycle points.
The work will be organised as follows:
  • An optimised PERM injection system (PERM_EV) will be developed and validated; baseline is the promising PERM2 IS injector, already tested at max 22 bars.
  • Define the PERM_EV and test up to 20 bars in a tubular rig by the HP rig of KIT
  • Develop an improved liner system to be coupled with the PERM_EV injector within the annular combustor configuration. Cold test will be performed by UNI FI.
  • Test in a combustor rig (CIAM) with PERM injection systems and with advanced liner cooling system.
  • Supported by detailed CFD modelling and extend the results to all the critical engine conditions.
  • Test of a second iterated and optimised injection system configuration at KIT
  • Investigate up TRL 4 the performance of a flame monitoring system, to be developed by KIT, and a plasma ignition system, to be developed by CIAM.
  • Depending on the TRL of the components, all developed technologies will be integrated in the annular combustor configuration at M24. Research investigations will continue to M48 estimating their impact on the final combustor configuration.

Sonderforschungsbereich 606. Instationäre Verbrennung: Transportphänomene, Chemische Reaktion, Technische Systeme Teilprojekt A3: Selbstzündprozesse bei instationären Freistrahlen
(SFB_606_-_A3)

Die Selbstzündung von Kohlenwasserstoffen wird von der Niedertemperaturoxidationskinetik dominiert, bei der im Gegensatz zu den Hochtemperaturmechanismen (bei denen die Kettenverzweigung über Reaktionen im H2-O2-System abläuft) brennstoffspezifische Reaktionen (z.B. über Peroxi-und Alkoxiverbindungen) den Zündprozess kontrollieren. Bei der Verbrennung in Verbrennungsmotoren erschwert neben der komplexen chemischen Kinetik auch deren Kopplung mit der instationären, meist turbulenten Vermischung von Brennstoff und Oxidationsmittel die detaillierte Beschreibung der Zündung. Diese Sachlage führt dazu, dass die detaillierten physikalisch-chemischen Prozesse bei der Selbstzündung von Freistrahlen auch heute noch nicht befriedigend verstanden sind.

Ziel des Teilprojekts ist daher ein besseres Verständnis der komplexen Prozesse bei der Zündung von turbulenten Freistrahlen durch experimentelle Untersuchung und mathematische Modellierung. Insbesondere soll geklärt werden, unter welchen Bedingungen Zündung erfolgt (in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Strömungsfeld), welche Einflussparameter die Zündverzugszeit kontrollieren und wie die instationäre Zündung/Verbrennung in einem turbulenten Strömungsfeld abläuft. Aus den experimentellen Untersuchungen sollen Modelle entwickelt werden, die eine Beschreibung der Mischung und Zündung erlauben. Die Schwierigkeiten bei diesem Teilprojekt liegen darin, dass die Zündung sowohl von der Mischung, der Turbulenz und auch von der Kinetik kontrolliert wird und daher hohe Anforderungen an die verwendeten Submodelle für Mischung, Turbulenz und chemische Reaktion und deren Kopplung vorliegen. Zur Klärung der komplexen Vorgänge im instationären reaktiven Freistrahl wird der Gesamtvorgang in drei Stufen untersucht:
a) inerte Phase mit turbulentem Mischungsprozess (FZK),
b) Zündvorgang (ITV)
c) reaktive Phase mit Verbrennung (ICT).

Für die experimentellen Untersuchungen zur inerten und reaktiven Phase (Schritte a) und c)) sollen zwei weitgehend identische Apparaturen aufgebaut werden, bei denen durch eine Düse zeitlich kontrolliert ein Strahl aus Inertgas bzw. Brennstoff in ein vorgeheiztes Oxidationsmittel eingedüst wird. Hierbei werden Turbulenz, Form und Geschwindigkeit des Brennstoffstrahls variiert. Zur Untersuchung der inerten Phase wird die räumliche Mischungsbruchverteilung (mit LIF bei NO-Tracerung), das momentane Strömungsfeld (mit PIV) sowie die turbulenten Geschwindigkeitsschwankungen (mit LDA) untersucht. Ein Ziel ist auch die Messung instationärer Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen (PDF's) des Mischungsanteils. Für die Untersuchung der reaktiven Phase wird LIF eingesetzt, wobei neben OH auch insbesondere Alkoxi-Radikale erfasst werden sollen. Längerfristig werden in diesem Teil des Vorhabens auch aromatische Kohlenwasserstoffe eingesetzt. In Schritt b) wird aus den experimentellen Ergebnissen mit Modellen für die Zündverzugszeit abgeschätzt, wo die Zündung des Freistrahls einsetzt. Schließlich werden Modellierungsansätze entwickelt, die eine Beschreibung der Mischung und Zündung erlauben. Hierbei werden Transportgleichungen für die zeitliche Evolution der gebundenen PDF's von Geschwindigkeit und Skalaren verwendet.


OIL-TECH
(OIL-TECH)

Vier unterschiedliche Zweistoffzerstäuber werden für vier verschiedene therm. Leistungen skaliert und deren Spray charakterisiert. Aus den gewonnenen Daten sollen allgemeine Skalierungsregeln abgeleitet werden.


Knowledge for Ignition, Acoustics and Instabilities
(KIAI)
Der Auslegungsprozess für eine Triebwerksbrennkammer startet normalerweise mit der Berechnung des benötigten Volumens an. Dabei ist es wichtig Wiederzündungsbedingungen in großer Höhe zu erfüllen. Um diese Bedingen zu ermitteln werden üblicherweise Beziehungen aus empirischen Gleichungen verwendet. Dabei handelt es sich um die sogenannten „Wiederzündungs- und  Beschleunigungs-„ Parameter, die die thermodynamischen Bedingungen und das Brennkammervolumen liefern. Die Wiederzündung kann nur dann gewährleistet werden, wenn diese Parameter kleiner als die vom Hersteller definierten Technologiestandards sind. Die beiden Parameter können nicht wirklich interpretiert werden, weil sie, wegen der Exponenten in deren Definitionen, keine gemeinsame Einheit haben. Dies bedeutet, dass der Wiederzündungsprozess ist bis heute noch nicht wirklich verstanden wurde. Darüber hinaus sind die neuen, mageren Brennkammern durch einen sehr großen Massenstrom in der Primärzone des Brenners charakterisiert. Demzufolge ist es fraglich, ob die obergenannte Gleichungen, die für konventionelle Brennkammern ausgelegt wurden, auch für die Mageren verwendet werden dürfen.
Das Verstehen des Wiederzündungsprozesses ist erforderlich für weitere Entwicklung der Flugzeugtriebwerke, weil es die weitere Reduktion des Brennkammervolumens ermöglicht. Die Reduktion des Brennkammervolumens begünstigt sowohl die Reduktion der NOx-Emissionen durch Verringerung der Verweilzeit, als auch der CO2 Emissionen durch Reduktion der Triebwerkmasse.


Vergasung von Pyrolyseöl aus Holzabfällen
(PyroGas)
Entwicklung und Charakterisierung außen- und innenmischender Zweistoffzerstäuberdüsen für die Direktzerstäubung von Slurries (Pyrolyseöl und -koks aus Holzabfällen). Erfassung der mittleren Brennstoffverteilung, Charakterisierung des Sprays hinsichtlich der Tropfen-Größenverteilung und -Geschwindigkeit. Skalierung der Düsen für höhere Durchsätze.

New Aero Engine Core Concepts
(NEWAC)
Theoretical and experimental investigations of a swirl stabilized flame characterize this project. As a burner an airblast atomizer in double swirl configuration has been chosen, the latter being designed and manufactured at Engler-Bunte-Institute. The purpose of the present investigation is to destinguish the flame stability behavior in regard to the lean extinction limit and to derive flame stabilization mechanisms. During the experimental part flame field measurements in terms of 3D velocity, temperature, concentrations have to be performed, in order to gain information about flame location and stability. A particular challenge in this project is the liquid fuel (kerosene) operated nozzle, where also kerosene spray characteristic has to be investigated. PDA (Particle Dynamics Analyses) laser measurement technique is applied for that purpose. This experimental data will serve also to the theoretical part of the project, where the nozzle will be designed according to given aerodynamical conditions and calculations of the cold flow as well as the reacting flow will be performed. The results will aim also an explanation of the flame stability. The advantage in this project is that theoretical and experimental research work are performed simultaneously, so better condifence in results could be gained.

A presentation of the NEWAC project.