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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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Gasverbrennung
Die nachhaltige Forderung nach Senkung des Energieverbrauchs und der Schadstoffe erfordert die permanente Optimierung der Brenner, die zur Bedienung des Energiebedarfs industrieller verfahrenstechnischer Prozesse, der Haushalte und Wärmekraftanlagen eingesetzt werden. Wegen des heutigen hohen Standards kann eine weitere Optimierung nur durch die genaue Kenntnis der relevanten physikalisch-chemischen Prozesse erfolgen, d.h. der Strömung , der Mischung und der Reaktion.

Die im Institut vorhandene Infrastruktur ermöglicht die Untesuchung der erwähnten Prozesse sowohl bei laminaren als auch bei hochturbulenten Flammen mit einer thermischen Leistung bis zu 2 MW. Schwerpunkt der Forschungsarbeit bilden die Untersuchungen zur Stabilitätsverhalten von turbulenten Vormisch- und Diffusionsflammen und zur Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Reaktion. Die dafür eingesetzte Meßtechnik reicht von konventionellen gekühlten Sonden bis zur optischen berührungslosen Meßmethoden zur Bestimmung von Geschwindikeit, Temperatur und Gemischzusammensetzung. Die gewonnenen Daten werden neben dem Verstehen von grundlegenden Mechanismen verstärkt für die Entwicklung von physikalischen Modellen zur Beschreibung der einzelnen Phänomene eingesetzt.

Ausführliche Beschreibung

Zusäzliche Informationen zu diesem Thema
 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts werden folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


Energy Efficient Coil Coating Process
(ECCO)

Coil Coating ist ein wichtiger industrieller Prozess, der in einem großen Teil der industriellen Stahl- und Metalllegierungsproduktion eingesetzt wird und mit großen Anlagen und großem Primärenergieverbrauch verbunden ist. Ein großer Teil der Gesamtanlagengröße und des Energiebedarfs von Bandbeschichtungsanlagen ist mit dem Trocknungs- bzw. Aushärteprozess innerhalb eines Aushärteofens verbunden, einem Engpass bei der Erhöhung der Produktionskapazität. Bei diesem Trocknungs-/Härteprozess werden organische Lösungsmittel aus dem aufgetragenen flüssigen Beschichtungsfilm verdampft und da sie brennbar sind, müssen die üblicherweise eingesetzten Härteöfen mit Konvektionslufttrocknungstechnik aus Sicherheitsgründen weit unterhalb der Explosionsgrenze (LOW) betrieben werden. ECCO bietet eine neuartige Lösung für den Aushärteofenbetrieb an, die nicht nur die Kompaktheit und energetische Effizienz des Systems drastisch erhöhen kann, sondern durch einen brennstoffflexiblen, modularen und potenziell energetisch selbsttragenden Prozess zu einer erhöhten Produktionsflexibilität führt. Die Hauptidee besteht darin, das Metallband durch IR-Strahlung zu erwärmen und den Aushärteofen weit über die obere Explosionsgrenze (UEL) hinaus zu betreiben, um den Trocknungs- und Aushärtungsprozess in einer Atmosphäre durchzuführen, die hauptsächlich aus Lösemitteldämpfen besteht, die als Brennstoff in IR-Strahlungsporenbrennern verwendet werden.

Abbildung 1: Vergleich von herkömmlichen Trocknungsprozessen zu ECCO Konzept.

Diese Lösung führt zu einer Reduzierung der Größe/Produktionskapazität von 70% und zu einer Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten um jeweils mindestens 40%. Ausgehend von den bisherigen Aktivitäten bei TRL 4 ist ein interdisziplinärer Ansatz vorgesehen, der auf fortschrittlichen Werkstoffen, Verbrennungstechnik und Prognosewerkzeugen für die Systemauslegung/-optimierung aufbaut, um diese Technologie unter aktiver Beteiligung der wichtigsten industriellen Akteure in TRL 6 einzubringen und einen Prototypenofen in industriell relevanter Größe und Umgebung zu realisieren.

Video 1: Lösemittel während Zündung in Explosionsprüfstand zur Ermittlung der Sauerstoffgrenzkonzentartion.

 


Methanmotoren für Personenkraftwagen
(MetCar)
Heutige Erdgasmotoren für PKW basieren auf Benzinmotoren und sind nicht konsequent für die Methanverbrennung optimiert. Mit seiner hohen Klopffestigkeit bietet bereits Erdgas gegenüber Benzin ein signifikantes Effizienzsteigerungspotenzial. Dies kann durch EE-C-Methan mit hohen Methangehalten und einer damit einhergehenden höheren Klopfresistenz (höhere Methanzahl) noch erhöht werden, da wirkungsgradsteigernde hohe Kompressionsverhältnisse bei gleichzeitig sehr hohen Aufladegraden ermöglicht werden.
Um die hohen Wirkungsgrade bei gleichbleibendem Fahr- und Verschleißverhalten zu ermöglichen, sind bei der Entwicklung eines optimierten Motors zahlreiche Teilaspekte wichtig, die umfassend im Projekt bearbeitet werden. Hierzu gehören insbesondere motortechnische Anpassungen der Spitzendruckfähigkeit, die Ladedruckerhöhung zur Vermeidung von Füllungsverlusten mit Hilfe von neuartigen Injektoren zur Gasdirekteinblasung (Methan DI) und Turboladern mit variabler Turbinengeometrie, sowie ein vollvariabler Ventiltrieb. Neben den motortechnischen Entwicklungen ist auch der Einfluss der Gasbeschaffenheit von Methan, insbesondere EE-C-Methan, als Kraftstoff ein wichtiger Baustein für die Markteinführung. Hierzu wird der Einfluss der zu erwartenden Hauptkomponenten (CH4, H2) und von Spurenstoffen (schwefelhaltige Odoriermittel, Kompressorenöle) auf Komponentenverschleiß und Katalysatorwirksamkeit anhand von Teststandsversuchen untersucht.
Der dritte innovative Baustein stellen grundlegende Untersuchungen zur Vermeidung von Partikelemissionen an Methanmotoren dar. Hierbei stehen sehr kleine Partikel im Fokus.

TURBOmachinery REtrofits enabling FLEXible back-up capacity for the transition of the European energy system
(TURBO-REFLEX)
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Der Energiesektor trägt zwei Drittel zu den globalen CO2 Emissionen bei, ist daher entscheidend für ein in Zukunft umweltfreundliches Wachstum, um die vorgesehenen Ziele bei der Begrenzung globaler Emissionen zu erreichen. Eine substantielle Reduktion der CO2 Emissionen kann nur durch die Nutzung erneuerbarer Energiequellen im großen Maßstab erreicht werden, wobei insbesondere die ergiebigsten Energiequellen Wind- und Sonnenkraft eingesetzt werden. Deren intermittierendes Vorkommen bedeutet jedoch eine große Herausforderung für die Energieversorgungssystem, da die Spitzen des erneuerbaren Energieangebots mit denen der angeforderten Leistung nicht überlappen. Da bislang noch keine Speichermöglichkeiten im erforderlichen Bereich vorhanden sind, werden zusätzliche Methoden zur Sicherung der Energieversorgung notwendig sein. Die Bereitstellung von Technologien die bereits installierte Kraftwerke für eine flexiblere Betriebsweise ertüchtigen, ohne dabei zu einer Verschlechterung bezüglich Betriebsdauer, Kosten und Emissionen zu führen, ist eine Möglichkeit die Energieversorgung mit den durch höhere Anteile regenerativer Energiequellen erforderlichen Sicherungskapazitäten zu versehen und so einen stabilen und elastischen Betrieb zu garantieren, der gleichzeitig einen höheren Anteil erneuerbarer Energiequellen erlaubt.

Die Mission von TURBO-REFLEX ist daher die Entwicklung und Optimierung von Technologien für ausgewählte Komponenten von Turbomaschinen, die dafür verwendet werden können, um sowohl existierende als auch neue Kraftwerke für einen flexibleren Betrieb zu ertüchtigen. Dabei wird TURBO-REFLEX auch die Auswirkungen, die solche Technologien auf Kraftwerksebene durch den Transfer der Komponententechnologie auf Wartungs- und Betriebskosten hat, bewerten.

Die magere Verlöschgrenze ("lean blow off", LBO) ist eine entscheidende Hürde für die weitere Reduktion der möglichen Teillast, weil der Betriebsbereich durch die LBO-Grenze limitiert wird. Strahlstabilisierte, vorgemischte Flammen sind mit Abblasegrenzen hinunter bis zu einer Verbrennungstemperatur von 1000°C-1200°C mit oder ohne die Verwendung von Pilotflammen vorhergesagt. 1000°C-1200°C Verbrennungstemperatur würde einen konformen Teillastbetrieb gleicher Emissionen bis zu 20%-25% bedeuten. Weitere Abblasegrenzen des Brenners sind eine Grundvoraussetzung für die Anwendung hoher Leistungsgradienten. Es wird daher erwartet, dass strahlstabilisierte, vorgemischte Flammen mit besseren LBO Grenzen auch Leistungsgradienden höher als 40MW/min erlauben werden.

EBIvbt am Karlsruher Institut für Technologie wird das Abblasen von Strahlflammen mit fortschrittlichen Verbrennungsmodellen untersuchen. Diese Modelle berücksichtigen sowohl geometrische Grundparameter als auch die Auswirkung von benachbarten Pilotflammen. Dazu wird ein 3D-Simulationsmodell entwickelt und experimentell bei Bedingungen nahe der Anwendung validiert. Die Turbulenz/Chemie Interaktion ("turbulence chemistry interaction", TCI) wird auf Basis zweier verschiedener Verbrennungsmodelle berücksichtigt, wobei in beiden Modellen eine Transportgleichung einer Reaktionsfortschrittsvariablen gelöst wird. Der Unterschied beider Modelle besteht in der Quelltermmodellierung. Beim ersten Modell hängt der Quellterm vom Mischungsbruch und der Reaktionsfortschrittsvariable selbst ab. Im zweiten Modell, das auf einer Beschreibung der turbulenten Flammengeschwindigkeit beruht ("turbulent flame speed closure", TFC), hängt der Quellterm neben den lokalen Turbulenzeigenschaften von der laminaren Brenngeschwindigkeit ab. Auf diese Weise kann der Einfluss von Flammenstreckung und lokalem Wärmeverlust auf die laminare Brenngeschwindigkeit, der sich schon bei einfachen 1D-Modellrechnungen zeigt, direkt berücksichtigt werden. Durch den Vergleich der zwei Modelle mit experimentell ermittelten Daten wird gezeigt, welches Modell besser für die Wiedergabe der Abblasegrenzen geeignet ist.

 

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


Ignition by mechanical sparks
(MechanicalSparks)
Mechanische Funken als Zündquellen spielen eine wichtige Rolle bei der sicherheitstechnischen Beurteilung der Zündung brennbarer Gasgemische. Sie entstehen meist durch mechanische Einwirkung auf feste Materialien, zum Beispiel Schleif-, Stoß- und Reibfunken. Mechanische Funken sind lokal gebildete und in der Regel glühende Einzelpartikel. Ob so ein abgetrenntes Teilchen ein Funken mit ausreichender Zündfähigkeit ist, hängt von der im Teilchen deponierten Energiemenge und seiner Geschwindigkeit, aber auch vom Material und der Größe ab. Das Projekt untersucht die Zündung durch kleine heiße Teilchen (Durchmesser bis zu einem Millimeter) in einer explosionsfähigen Atmosphäre mit Strömungsgeschwindigkeiten bis zu einigen Metern pro Sekunde. Da der Schwerpunkt dieses Projekts auf einem detaillierten Verständnis der Zündvorgangs selbst liegt, werden wir vor allem die zündrelevanten Eigenschaften gut definierter, sphärischer Partikel untersuchen, aber nicht den eigentlichen Entstehungsprozess mechanischer Funken. Unser Ziel ist es, das physikalisch-chemische Modell der Gasphasenzündung an kleinen heißen Partikeln verschiedenster Materialien und Größen voranzutreiben. Als brennbare Stoffe werden Wasserstoff, Ethen und Diethylether untersucht.

Hochgeschwindigkeitsaufnahmen (3.6 kHz) der OH* Chemilumineszenz (308 nm) der cw-laserinduzierten Zündung (Argon-Ionen Laser, 4.5W) einer Wasserstoff/Luft Mischung (20% Wasserstoff in Luft)




Combustion noise
(CN_Bo)
Übergeordnetes Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung der Entstehungsmechanismen sowie die quantitative Vorhersage des Verbrennungslärmes turbulenter Flammen. Als Berechnungswerkzeuge werden sowohl die Grobstruktursimulation bzw. LES (Large Eddy Simulation) als auch die DNS (Direkte Numerische Simulation) eingesetzt. Ein bislang im Rahmen von RANS (Reynold-Averaged-Navier-Stokes) – Berechnungen erfolgreich eingesetztes, auf Wahrscheinlichkeitsdichteverteilungen basierendes, Verbrennungsmodell soll zur Anwendung im LES-Kontext stufenweise weiterentwickelt werden. Der Einsatz des Modells im Rahmen einer kompressiblen LESFormulierung ermöglicht die direkte Berechnung des aus den grobskaligen Wirbeln herrührenden Anteils des Verbrennungslärmes. Die DNS-Simulationen erlauben zusätzlich die Untersuchung der aus der Feinstruktur stammenden Lärmanteile. Weiterhin können damit die für die LES-Feinstrukturmodelle verwendeten Modellierungskonzepte verfeinert werden und die im TP2 (Janicka) vorgenommene Rekonstruktion des Dichtesprunges verifiziert werden.


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