Contact
Engler-Bunte-Ring 7
76131 Karlsruhe
Building number 40.13.I
Tel: +49(0)721 608-42571
Fax: +49(0)721 608-47770
E-Mail: Secretariat
Please try out our program for calculating the gas phase equilibrium state.
more...
Am 10. Februar ab 14:00 Uhr möchten wir für interessierte Studierende am Vertiefungsfach unser Institut und die Möglichkeiten, die sich bei uns zur Anfertigung einer Bachelor- oder Masterarbeit anbieten, vorstellen. Dabei ist ein Gespräch mit wissenschaftlichen Mitarbeitern über deren Forschungsgebiete möglich.
more...
Engler-Bunte-Ring 7
76131 Karlsruhe
Building number 40.13.I
Tel: +49(0)721 608-42571
Fax: +49(0)721 608-47770
E-Mail: Secretariat
Current proposals for topics of bachelor- and master thesis you find on the following page.
more ...
|
![]() |
Forschungsgebiete:
Selbsterregte
Strömungs- und Verbrennungsinstabilitäten, turbulente Vormisch- und Diffusionsverbrennung,
schadstoffarme Verbrennung, Schadstoffbildung, mathematische Modellierung und
Berechnung von Feuerungssystemen, Brennerauslegung, Flammenmodellierung
Niederfrequent schwingende Vormisch-Flamme mit
charakteristischen Ringwirbeln
Das
Hauptforschungsgebiet der Forschungsgruppe „Strömungs- und
Verbrennungsinstabilitäten“ am Lehrstuhl für Verbrennungstechnik ist seit fast
20 Jahren die Untersuchung und Identifikation der physikalischen Mechanismen,
welche zur selbsterregten Entstehung von Verbrennungsinstabilitäten
(„Thermoakustik, Verbrennungsschwingungen, Brennkammerschwingungen, pulsierende
Verbrennung/Flammen, Verbrennungs-Oszillation“) bei großtechnischen
Verbrennungssystemen führen. Diese durch energiereiche Druckschwingungen
gekennzeichneten, periodischen Störungen führen zu starken mechanischen und
thermischen Belastungen von Bauteilen bis hin zu deren Versagen sowie zum
Flammenrückschlag und sind daher für den Dauerbetrieb des Verbrennungssystems
nicht tolerierbar. Je nach dem zugrunde liegenden Rückkopplungsmechanismus,
welcher natürlich in erheblichem Maße die Wirksamkeit von Abhilfemaßnahmen
festlegt, treten sowohl niederfrequente Schwingungen („rumble, Brummen“) als
auch hochfrequente („Pfeifen, Screaming“) auf, wobei - neben der Schwingung des
statischen Druckes in der Brennkammer sowie in vor- bzw. nachgeschalteten Anlagenteilen
(Brennergehäuse, Mischeinrichtung, Abgasführung) – auch starke Schwankungen der
Flammengeometrie sowie der integralen Wärmefreisetzung aus dem
Verbrennungsprozess einhergehen.
Die
Ursachen für diese Verbrennungsschwingungen, die zumeist eine Systeminstabilität
darstellen, bei welcher verschiedene Komponenten eines Verbrennungssystems
(Brennstoff/Luft-Mischer, Brenner, Flamme, Brennkammer, etc.) miteinander in
zeit- bzw. frequenzabhängige Wechselwirkungen treten, die dann letztlich zu
einer erheblichen, nicht akzeptablen Verstärkung ursächlich schwacher Störungen
führen, können ausgesprochen vielfältig sein. So können periodische
Fluktuationen der Zündzone(n) („Zündstörungen“), verbrennungs- oder
strömungsinduzierte, zeitliche Änderungen der Drallintensitäten („Drallzahl,
Drallstärke, drallstabilisiert“), periodische Ausbildung reaktionsfähiger
Wirbelstrukturen („Ringwirbelbildung, Wirbelablösung“) und deren phasenrichtige
Abreaktion das schwingungsfähige Gesamtsystem anregen, um dann bei phasenrichtiger
Rückkopplung mit ausreichender Energiezufuhr zu stabilen, selbsttätig
erhaltenen Dauerschwingungen auf energetisch hohem Niveau (atmosphärisch
betriebene Verbrennungssysteme häufig bis 20 mbar Druckamplituden,
druckaufgeladene Verbrennungssysteme bis 1 bar bei Frequenzen zwischen wenigen
Hz bis zu 5 KHz.
Die
mathematische Beschreibung des Gesamtsystems zur Berechnung dessen
Schwingungsstabilität erfordert zwingend die Kenntnis der frequenzabhängigen
Übertragungsverhalten(„Flammentransferfunktion, Amplitudenverhältnis,
Phasengang“) aller an dem physikalischen Rückkopplungskreis beteiligten
Systemkomponenten (Mischer – Brenner – Flamme – Brennkammer), in Abhängigkeit
aller relevanten Betriebsparameter der Feuerung (thermische Leistung, Luftzahl,
Brennstoffart, Drallstärke, Verbrennungs-Mitteldruck, etc.), welche durch
Anwendung regelungstechnischer Methoden bestimmt werden können. Aus diesen
Aussagen ist es dann möglich, das Stabilitätsverhalten des Gesamtsystems in
Abhängigkeit der Geometrie und der gewünschten Betriebsbereiche vorherzusagen
sowie wirksame und kostengünstige Abhilfemaßnahmen, welche auf den im
individuell vorliegenden Schwingungsfall wirksamen Rückkopplungsmechanismus
angepasst werden müssen, aufzuzeigen. Folgende Graphik ist ein Link zu
detaillierterer Erklärung der von uns gewonnen Erkenntnisse.
• Untersuchung der Entstehung von Verbrennungslärm in Flammen und Entwicklung von Maßnahmen zu deren Minderung („Schalldruckmessungen“)
• Druckverbrennung flüssiger, vorverdampfter und gasförmiger Brennstoffe in turbulenten Vormisch- und Diffusionsflammen
• Berechnung und Auslegung von Resonatoren als Dämpfer („Dämpfungsmaß, Resonanzfrequenz“)
Ausstattung/Versuchsanlagen
Zur
Durchführung der erforderlichen experimentellen Untersuchungen stehen folgende
Versuchsstände zur Verfügung:
• Großbrenner-Prüfstand bis 2.5 MWth
• Verbrennungsanlage mit Luftvorwärmung bis 400°C für flüssige und gasförmige Brennstoffe bis 300 kWth für Diffusionsflammen und/oder Vormischbetrieb
• Versuchsanlagen für Untersuchungen an Kleinbrennersystemen von 6 kWth bis 80 kWth
• Plexiglaskammern für isotherme Strömungsuntersuchungen
• Vorverdampfereinheiten für den LPP-Betrieb
• Pulsationseinheiten für stark variable und in Frequenz und Amplitude unabhängig regelbare Massenstrommodulation
• Eigenentwickelte doppel-konzentrischer,
pilotierter Drallbrenner mit wahlweise stufenlos variierbarem Drall durch
Tangentialdrallerzeuger, bzw.
Axialschaufeldrallerzeuger mit gasturbinenähnlicher Geometrie und stufenlos
variabler Auslasskonfiguration (Leistungsklasse 50-500 kWth)
Weitere
Eigenentwicklung: Vormisch-Drallbrenner, Variabel: Drall, Auslassgeometrie,
Luftzahl, Leistung, Flammentyp, Brennstoff
Neben
den standardmäßig existierenden Messtechniken für stationäre Messgrößen im
Bereich der Verbrennungstechnik / Hochtemperaturverfahrenstechnik sind
besonders hervorzuheben:
• Charakterisierung isothermer
Strömungsinstabilitäten
Konstant-Temperatur-Hitzdrahtanemometrie (CTA) und phasenkorrelierte
Videoaufnahmen des mit Hilfe eines Tracermediums und eines
Laserlichtschnitt-Systems sichtbar gemachten Strömungsfeldes
• Erfassung schneller Mischungsänderungen in
isothermen, nicht-reagierenden Strömungen
Eigenentwicklung einer zeitlich und räumlich hochauflösenden
Konzentrationsmesstechnik
• Zeitlich hochauflösende
Temperaturmesstechnik
- Schnelle,
elektronisch trägheitskompensierte Thermoelement-Messtechnik
- 2-dimensionale
Feldverteilung der Temperatur über Rayleigh-Streuung
• Reaktionsumsatzverhalten periodisch
instationärer turbulenter Drall- und Strahlflammen
- Getriggerte
Aufnahmen der "eingefrorenen" Gesamtflamme die Flammenkontur zu
verschiedenen Zeitpunkten innerhalb der Periode der Schwingung mittels
CCD-Videokamera
- Ermittlung
der Strahlungsintensität angeregter OH*-Radikale durch Photomultiplier
- Planare,
laserinduzierte Prädissoziationsfluoreszenz (2-D PLIPF) der OH- Moleküle
• Schwankungen des statischen Druckes der Gassäule
in der Brennkammer
gekühlte Kondensatormikrofone mit hohen Amplitudenauflösungen und linearem
Frequenzverhalten
• Auswertung von zeit- bzw. frequenzabhängigen
Signalen
2-Kanal-Frequenzanalysatoren unter Verwendung von Korrelationsverfahren
Industriekooperationspartner
Im Laufe der vergangenen zwei Jahrzehnte wurden innerhalb zahlreicher Kooperationen mit Industrieunternehmen unerwünschte, selbsterregte Druck-/ Flammenschwingungen, welche bei nachfolgend beschriebenen industriellen Großanlagen aufgetreten sind, erfolgreich, schnell und kostengünstig beseitigt.
• Stromerzeugende Industrie (GuD-Kraftwerke)
• Heizkraftwerke
• Papierindustrie
• Hersteller von Industrie- und Haushaltsbrenner
• Reaktoren aus der chemischen Industrie
„Strömungs- und Verbrennungsinstabilitäten in technischen Feuerungssystemen“
Neben der Einhaltung der vom Gesetzgeber vorgeschriebenen Schadstoff-Emissionsgrenzwerte stellt die über den gesamten Regelbereich sichere Gewährleistung eines stabilen Verbrennungsprozesses eines der größten Probleme bei der Entwicklung und Optimierung neuer Verbrennungssysteme dar. Da bei dem heutigen Wissensstand keine sicheren Vorhersagen zum Stabilitätsverhalten der Komponenten Brenner - Flamme - Brennkammer bei deren Kopplung während der Auslegungsphase möglich sind, verursacht die Beseitigung periodischer Verbrennungsinstabilitäten durch empirische Maßnahmen bei der Inbetriebnahme zeit- und kostenintensive Modifikationen an der Originalausführung.
• Einteilung und Beschreibung von
Verbrennungsinstabilitäten
Phänomenologie, Definition des Stabilltätsbegriffes, Einteilung periodisch
instationärer Verbrennungsvorgänge, Einflussgrößen auf die Schwingungsneigung
• Messtechnische Erfassung dynamischer Flammeneigenschaften
Hitzdraht-Anemometrie (Strömungsmesstechnik), Wärmeleitfähigkeitssonde
(Konzentrationsmesstechnik), Trägheitskompensierte Thermoelemente
(Temperaturmesstechnik), Wassergekühlte Kondensatormikrophone
(Druckmesstechnik), Ionisationssonden (Messtechnik zur Flammenfrontdetektion),
Photomultiplier (Messtechnik zur Bestimmung des instationären
Reaktionsverhaltens mittels OH-Radikalenstrahlung (Chemilumineszenz))
• Eigenschaften turbulenter Vormischflammen
• Bedeutung vorgemischter Verbrennungssysteme, Zündstabilität und Schwingungsneigung, Eigenschaften stationärer, turbulenter Vormischflammen, Eigenschaften periodisch instationärer, turbulenter Strahlen und Flammen (frequenzabhängiges Übertragungsverhalten vorgemischter, turbulenter Strahl- und Drallflammen), Ausbildung und Abreaktion turbulenter Ringwirbelstrukturen
• Einfluss von Druck-/Flammenschwingungen auf das Schadstoff-Emissionsverhalten der Feuerung
• Auswirkungen von Druckschwingungen auf die Brenngas-/Luft-Gemischbildung (Ausbrandverhalten, thermisches NOx)
• Bestimmung des Druckübertragungsverhaltens einer Modellbrennkammer
• Mathematische Beschreibung des Resonanzverhaltens einer Brennkammer (Helmholtz-Resonator-Modell), experimentelle Bestimmung charakteristischer Brennkammereigenschaften, Temperatur- und Geometrieabhängigkeit der Schwingungsdämpfung
• Stabilitätsanalyse eines vereinfachten Vormischverbrennungssystemes
• Beispiele selbsterregter Druckschwingungen, Stabilitätskriterien (z.B. Rayleigh-Kriterium), Kopplung der frequenzabhängigen Übertragungsverhalten von Brenner, Flamme und Brennkammer, konstruktive Möglichkeiten zur Vermeidung/Unterdrückung selbsterregter Druck-/ Flammenschwingungen (active control und eigene Verfahren)
„Energietechnik“
• Allgemeine Gesichtspunkte der
Energietechnik:
- Bedeutung von
Energieumwandlungsprozessen
- Energieversorgung und
Energievorräte
- Elektrizitätswirtschaft
in Deutschland
- Fragestellungen der
Energietechnik
• Thermodynamische Grundlagen zur Beschreibung
von Energieumwandlungsprozessen und energietechnischer Fragestellungen:
- Systembegriff und
thermische Zustandsgrößen
- Arbeit, Innere Energie
und Wärme – 1. Hauptsatz
- Zustandsänderungen
eines idealen Gases in offenen und geschlossenen Systemen, Kreisprozesse
- Irreversible Prozesse
und deren Beurteilung
- Bewertung von
Energieumwandlungsprozessen
• Ausgewählte Energieumwandlungsprozesse
thermischer Kraftmaschinen und –anlagen:
- Heißgas und
Verbrennungsmotoren
- Gasturbine
- Dampfkraftanlagen
• Schadstoffemissionen und Minderungsmaßnahmen
bei fossil befeuerten Kraftwerken:
- Übersicht der
Schadstoffe aus Verbrennungsprozessen
- Entstehungsmechanismen
bei der Verbrennung fossiler Energieträger
- Technologien zur
Emissionsminderung