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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

 

Im Rahmen dieses Schwerpunkts werden folgende Forschungsprojekte bearbeitet:


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.



Modulare Erweiterung eines Gesamtmodells zur verbesserten Vorhersage des Verbrennungsverlaufs von Flüssigbrennstoff/Wasser-Emulsionen
(CEC3H)

Die im Projekt 3H geleistete Forschungsarbeit dient der Erfüllung der Ziele des Gesamtvorhabens „Betriebsflexibilität und Brennstoffflexibilität“. Die Betriebsflexibilität wird entscheidend von den Stabilitätsgrenzen der Verbrennung beeinflusst, deren Vorhersage immer noch eine Herausforderung darstellt. Die Brennstoffflexibilität setzt die sichere Auslegung von Brennern voraus, die sowohl mit gasförmigem als auch mit flüssigem Brennstoff operieren können. Aus den dargestellten Notwendigkeiten und Herausforderungen definieren sich die Ziele des Teilprojektes 3H, das die Weiterentwicklung der erfolgreich geleisteten Forschungsarbeiten innerhalb des Projektes 1F der 1. Phase darstellt.
Das innerhalb des Projektes 1F entwickelte Modell für die Verbrennung von flüssigen Brennstoffen und Flüssigbrennstoff/Wasser-Emulsionen ist in der Lage die Wärmefreisetzung bei der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen unter Vorgabe der Tropfendurchmesser- und Geschwindigkeitsverteilung bei adiabater Verbrennung zu berechnen. Daraus wird ersichtlich, dass mehrere wichtige Aspekte, die für den Einsatz des Modells beim Design-Prozess entscheidend sind, noch nicht berücksichtigt werden. Der erste Aspekt betrifft die Vorgabe der Verteilung der Tropfencharakteristiken, welche in der aktuellen Programmversion aus experimentellen Daten entnommen werden müssen. Der zweite Aspekt betrifft die Nichtberücksichtigung von Wärmeverlusten, welche aber für die Vorausberechnung der Flammenstabilität und der Emissionen von essentieller Bedeutung sind. Darüber hinaus wurde das Modell nur anhand der Verbrennung von Kerosin (vorhandene institutseigene Messungen) validiert, weil die experimentellen Ergebnisse mit Diesel und Diesel/Wasser-Emulsionen noch nicht vorliegen.
An diese Fragestellungen knüpft das Teilprojekt 3H an, das es zum Ziel hat ein Tool zu entwickeln, welches beim Design einer Gasturbinenbrennkammer eingesetzt werden kann. Dabei soll einerseits der Zerstäubungsprozess durch ein empirisches Modell wiedergegeben werden und andererseits der Einfluss der Wärmeverluste auf die Wärmefreisetzungscharakteristik erfasst werden. Darüber hinaus werden weitere Teilaspekte, wie die Tropfen-Wand-Interaktion oder die Feldverteilung des Brennstoff/Wasser-Verhältnisses (BWV), die im realen Prozess eine wichtige Rolle spielen, durch geeignete Teilmodelle berücksichtigt.


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:


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.

Modellierung des Verbrennungsverlaufs bei der Verbrennung von flüssigen Brennstoffen und Flüssigbrennstoff/Wasser-Emulsionen.
(CEC_1F)

Im Rahmen der von der Bundesregierung und der Europäischen Union angestrebten Energiewende ist der Zuwachs des Anteils an erneuerbaren Energien entscheidend. Hiermit verbunden ist allerdings eine den natürlichen Ressourcen Wind und Sonne geschuldete fluktuierende Energieerzeugung, die nicht mit dem Strombedarf korreliert. Zum Ausgleich dieser Energieerzeugungslücke werden Kraftwerke benötigt, die in einem flexiblen Lastbereich betrieben werden können. In diesem Zusammenhang nehmen Gaskraftwerke eine wichtige Rolle ein, da sie schnelle Lastanpassungen ermöglichen und Energie bei höchsten Wirkungsgraden bereitstellen.

Ziel des Verbundvorhabens ist daher die Entwicklung von Verbrennungstechnologien für die klimaschonende Energieumwandlung. Die im Teilprojekt 1F geleistete Forschungsarbeit dient in diesem Zusammenhang zur Erfüllung des Teilziels „Betriebsflexibilität und Brennstoffflexibilität“. Die Betriebsflexibilität hängt entscheidend von den Stabilitätsgrenzen der Verbrennung ab, deren Vorhersage noch nicht adäquat möglich ist. Die Brennstoffflexibilität setzt die sichere Auslegung von Brennern voraus, die sowohl mit gasförmigem als auch mit flüssigem Brennstoff operieren können.

Eine wichtige Methode die Stromerzeugung klimaschonend zu gestalten ist die Erhöhung des Wirkungsgrades von Gasturbinen. Da die Erhöhung des Wirkungsgrades mit der Erhöhung des Druck und Temperaturniveaus des Prozesses zusammenhängt, kann das angestrebte Ziel nur auf Basis der Optimierung der Kühlung von den hochbelasteten Teilen erfolgen. Diese Optimierung kann nicht ohne die Kenntnis der Temperaturverteilung in der Brennkammer und am Brennkammeraustritt erfolgen, was auch das zentrale Ziel des Vorhabens ist. Die Berechnung der Temperaturverteilung bzw. der Verteilung der Wärmefreisetzung hängt von folgenden Teilprozessen ab: 

  • Erfassung der Tropfendispersion, die von den turbulenten Schwankungsbewegungen dominiert wird
  • Berechnung der Verdampfung, die von der Verdampfungscharakteristik und dem turbulenten Wärmetransport von der gasförmigen an die flüssige Phase abhängt
  • Erfassung der Wechselwirkung zwischen Turbulenz und Wärmefreisetzung

Die realitätstreue Wiedergabe der dargestellten Teilprozesse stellen die wissenschaftlichen Teilziele des Projektes 1F dar.

  • Mit Large-Eddy-Simulation berechnete mittlere Temperatur im Nahfeld einer Airblast-Düse bei Verbrennung von Hexadekan mit und ohne Wasserbeimengung