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VBT-Kolloquium

Programm des "Kolloquium Verbrennungstechnik" für das WS-2019/20 ist verfügbar.
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Gasphase
Equilibrium calculator

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Bachelor- and Masterthesis

Current proposals for topics of bachelor- and master thesis you find on the following page.
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Radiation
The design of efficient cooling systems plays a decisive role in the development of modern gas turbine combustion chambers. Guaranteed adherence to the maximum permissible material temperatures is required while at the same time using as little cooling air as possible. The required mass flows of cooling air therefore need to be known as already at the development stage, since they directly influence the available combustion air and hence pollutant emissions from the combustion chambers.

By developing a suitable model, the goal is to determine the wall temperature of a combustion chamber taking into account the radiant gases in the combustion region, the radiation interaction with particles (such as soot) suspended in the flame and the radiation of the combustion chamber walls. The temperature distribution determined in this way can then be used to optimise different cooling concepts.

The so-called Monte Carlo method is used for the numerical simulation of the radiation processes in the combustion chamber. The principle of this simulation method rests on tracking a large number of randomly distributed photons through the combustion space. The distribution of the absorbed photons ascertained in this way can ultimately be interpreted as the radiant heat transferred.

 

Energy Efficient Coil Coating Process
(ECCO)

Coil coating is an important industrial process applied in a major part of industrial steel and metal alloy production and associated with big facilities and large primary energy consumption. A major part of the overall plant size and the energy demand of coil coating facilities is associated with the drying/curing process that occur inside a curing oven, which is the bottleneck concerning the increase of the production capacity. In this drying/curing process, organic solvents are vaporized from the applied liquid coating film and since they are flammable, the usually applied curing ovens with convective air drying technology have to be operated far below the Low Explosive Limit (LEL), due to safety constraints. ECCO proposes a novel solution for the curing oven operation, which can not only drastically increase the compactness and energetic efficiency of the system, but leads to an increased production flexibility due to a fuel-flexible, modular and potentially energetically self-sustainable process. The main idea is to heat the metal strip by IR-radiation and operate the curing oven well above the Upper Explosive Limit (UEL), thus, performing the drying and curing process in an atmosphere mainly consisting of the solvent vapours, which are used as fuel in IR radiant porous burners. This solution leads to a size/ production capacity ratio reduction of 70% and a reduction of investment and operating costs of at least 40% each. Starting from previous activities at TRL 4, an interdisciplinary approach is foreseen, based on advanced-materials, combustion technology and prediction tools for system design/ optimization, with active participation of key industrial stakeholders, to bring this technology to TRL 6 and realize a prototype furnace at industrially relevant size and environment.


SOot Processes and Radiation in Aeronautical inNOvative combustors
(SOPRANO)
The SOPRANO project’s main scientific objective is to make a breakthrough in the overall investigation efforts in the field of soot particles chemistry, particles size distribution (PSD), and their radiative effect on combustors typical of aero-engines. SOPRANO aims at a qualitative shift in the knowledge and experimental and numerical approaches related to the characterization and prediction of soot emission and interaction with radiative Low NOx combustor environment.
 
 
The main industrial objective of SOPRANO is to carry out an in-depth characterization of soot particles emitted by a modern combustor at engine relevant operating conditions and at increased pressures to pave the way for the future design of high-performance combustors: a more accurate evaluation of the radiation effect and, therefore, a more reliable liner temperature prediction, will drive a review of the design criteria in terms of combustor air distribution and will improve durability of some key modules, e.g. the combustor’s liners.
 

Within this research focus in the past the following research projects were associated:


Energieeinsparung und Minderung der Abgasschadstoffemissionen bei Strahlungsheizkörpern mittels verbrennungs- und konstruktionstechnischer Maßnahmen
(ProInnoII-KF0504401WZ7)

Gegenstand des Projekts ist die Weiterentwicklung von Dunkelstrahler-Systeme unterstützt durch CFD-Methoden. Ziel des Entwicklungsvorhabens ist es, eine neue Generation von Dunkelstrahlern mit erhöhter Energieausbeute zu entwickeln. Der wesentliche technisch relevante Parameter ist hierbei der Strahlungswirkungsgrad, der das Hauptmerkmal der Dunkelstrahler, nämlich das Maß an erhaltener Infrarotleistung pro aufgewendete Energie, repräsentiert. Die Steigerung dieses Wirkungsgrades wird zusätzlich einhergehen mit einer Verringerung des konvektiv verlorenen Wärmeanteils und einer Absenkung der Abgasverluste und Emissionen. Es soll der Einsatz von neuen Brennersystemen untersucht und technische Lösungen zwecks Erhöhung der Energieausbeute, sowie neue Materialien, die die Wärmeabgabe in Form von Strahlung an die Umgebung erhöhen, gefunden werden.
Neben die experimentellen Untersuchungen werden die Vorgänge im Dunkelstrahler numerisch untersucht. Ein mathematisch-geometrisches Modell wird zur Berechnung der Strahlungswirkungsgrad erstellt, wobei als Ergebnis zusätzlich auch die Wandtemperaturverläufe, sowie die Temperaturverläufe außerhalb der Strahrohrwand dargestellt werden. Zusätzlich werden unterschiedliche, auch teilweise modifizierte Reaktions- und Strahlungsmodelle eingesetzt um die Vorgänge realistisch darzustellen.


Berechnung von Strömung und Wärmeübertragung in der Mikrostruktur fester keramischer Schwämme
(FOR583-T2)
Heat transfer in porous media is strongly dependent on the micro structure of the solid, material properties of the solid and also the properties of gas phase. This becomes more relevant at high temperatures (around 1000 K) that are common in combustion processes. Since at high temperatures, in addition to heat conduction through solids and gas phase convection, a high proportion of heat transfer takes place by radiation. The separation of physical effects of heat conduction in solid, gas phase convection, radiative heat transfer from solid to solid and radiative heat transfer from solid to gas is extremely difficult to achieve experimentally because of very limited accessibility. In this project computed tomography geometry data of porous media is used to simulate the heat transfer process. Both convection and conduction but also the heat transfer and especially the thermal radiation described in detail based on "Monte Carlo" simulations. The aim is to describe the overall phenomenon by an effective thermal conductivity.

Erweiterung und Optimierung von Dunkelstrahlersystemen: Integration einer neuen Verbrennungstechnologie und numerische, iterative Auslegung der Randbedingungen und Geometrie
(AiF2011Bo)
Die Anpassung der momentan benötigten Heizleistung an die wechselnden örtlichen und zeitlichen Anforderungen in einer zu beheizenden Halle bietet nach heutigem Stand der Technik noch ein bemerkenswertes Potential zur Effizienzsteigerung und damit zur Energieeinsparung. Aktuelle ein- und zweistufige Regelkonzepte stoßen hier allerdings auch bei modernster adaptiver Regeltechnik an ihre Grenzen. Auf diesem Sektor eröffnen sich durch Realisierung von Verbrennungstechniken in porösen Medien neue Möglichkeiten durch eine extrem flexible stufenlose Regelung. Wie im folgenden dargelegt wird, ist hiermit auch eine neuartige Stabilisierung der Verbrennung verbunden. Das Konzept der Porenbrennertechnik basiert darauf, dass die Verbrennungsreaktion innerhalb eines Netzwerks aus Stegen und Hohlräumen, die einander durchdringen, abläuft. Aufgrund ihrer sehr hohen spezifischen Oberfläche besitzen offenporige poröse Materialien herausragende Transporteigenschaften. Dies ist mit einer hohen mechanischen Stabilität der keramischen Grundmaterialien verbunden. Bei der Verbrennung in porösen Medien ist der Wärme- und Stofftransport in der Reaktionszone, verglichen mit einer freien Flamme, deutlich erhöht. Dies wird durch den Aufprall der Strömung auf den Festkörper hervorgerufen, wodurch es zu Umlenkeffekten und Wirbelausbildungen kommt. Eine Folge davon ist, ähnlich wie bei den turbulenten Flammen, die Erhöhung des Wärme- und Stofftransports sowie die lokale Auffaltung und Verdickung der Reaktionszone. Zusätzlich wird durch den porösen Festkörper Wärme durch Strahlung und Leitung des Festkörpers transportiert. Da Festkörper eine deutlich höhere Emissivität und Leitfähigkeit als Gase aufweisen (εsg » 3 bzw. λsg » 350 bei 1000°C), ist der Wärmetransport in der Reaktionszone bei der Verbrennung in porösen Medien um Größenordnungen höher als in freien Flammen. Darüber hinaus wird bei der Verbrennung in porösen Medien ein deutlich höherer Anteil der Wärme über Strahlung aus der Verbrennungszone ausgekoppelt als bei freien Flammen, bei denen ein Großteil der Wärme im Abgas verbleibt. Bei Dunkelstrahlersystemen ohne Abgaswärmenutzung ist dies ein entscheidender Vorteil. Darüber hinaus wirkt der hohe Wärmetransport der Entstehung von Gebieten mit hohen Spitzentemperaturen entgegen wobei gleichzeitig ein ausreichendes, homogenes Temperaturniveau für den Stoffumsatz zur Verfügung steht. Neben der Wärmeleitfähigkeit ist auch die Temperaturleitzahl im porösen Medium stark erhöht, was zu einer Erhöhung der Flammengeschwindigkeit und somit zu einer Erweiterung des Stabilitätsbereichs im Vergleich zur laminaren Flamme führt.


Abb. 1: Anlageschema –Porenbrenner (radial-durchströmt)


Abb. 2: Porenbrenner (radial-durchströmt)

INTELLECT D.M.
(INTELLECT_DM)

The objective of this project is to develop a design methodology for lean burn low emission combustors to achieve a sufficient operability over the entire range of operating conditions whilst maintaining low NOx emission capability. A knowledge based design system will form the framework to capture existing combustor design knowledge and knowledge generated in this project.

Through pressing demand for emission reduction, very ambitious future NOx reduction targets of 80 % by 2020 have been set.

Existing design rules, for conventional combustion systems, cannot be applied for lean low emission combustors. It is therefore important to

  • embody new design rules quickly, so that the
  • new technology can be incorporated faster into future products.

The aim is to create the first building blocks of such an integrated combustor design system. The system will incorporate preliminary design tools to

  • make first estimates of the arrangement for lean burn combustion, which meets
  • operability, external aero-dynamics, cooling and emissions needs.

Guidelines for the design of lean low NOx combustors for reliable and safe operation will be derived. Incorporation of these guidelines for lean low NOx combustion in the knowledge based combustor engineering tool in order to strengthen European competitiveness by reducing development costs and time.

Lean blow out limit, ignition and altitude relight will be investigated. The air flow distribution and the aero-design of pre-diffusers for lean low NOx combustion with up to 70% air consumption will be optimised. Wall temperature prediction and testing for highly efficient cooling design will be performed. An assessment of generated knowledge and implementation in the knowledge based system will take place.

The new lean burn concepts have to gain customer and market acceptance to be fully competitive. Answers to principle questions concerning the operability and airworthiness of low NOx combustors will be given.


Peroxid Poolflammen
(ZN11766_10)
It has been shown that the commonly used surface radiation models without consideration of chemical reaction (combustion models) and without turbulence and soot formation models have to be re-considered.  Instead, fluid dynamically driven coherent structures and CFD simulations of interacting fires have to be considered using the above mentioned sub models which partly have to be developed.

In particular, the knowledge about the interaction phenomena between two or even more pool fires will be investigated both, experimentally and numerically using CFD simulations. Additionally the knowledge about the length of the so-called clear combustion zone, which is not covered by black sooting regions, has to be deepened. Also the knowledge on the specific radiation (SEP) of single and interacting black sooting fires needs to be extended.

Of high importance and a pre-requisite for success of the above mentioned goals the knowledge on the elementary chemical reactions in peroxide pool flames has to be deepened, especially with respect to soot formation in such hydro-carbon pool flames. For this, mechanisms of soot formation will be improved and reaction mechanisms for the combustion of organic peroxides will be developed and integrated into CFD tools. Such tools can be flamelet models, which will be used int the present research work.




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Intelligent Design Methodologies for Low Pollutant Combustors for Aero-Engines
(IMPACT_AE)
By IMPACT-AE european manufacterors of aero-engines are aided to keep track with US competitors which already have developed techologies for the combustion in aero-engines with low emissions.

Energieeinsparung und Minderung der Abgasschadstoffemissionen bei Strahlungsheizkörpern mittels verbrennungs- und konstruktionstechnischer Maßnahmen
(ProInnoII-KF2335501TN9)

Gegenstand des Projekts ist die Weiterentwicklung von Dunkelstrahler-Systeme unterstützt durch CFD-Methoden. Ziel des Entwicklungsvorhabens ist es, eine neue Generation von Dunkelstrahlern mit erhöhter Energieausbeute zu entwickeln. Der wesentliche technisch relevante Parameter ist hierbei der Strahlungswirkungsgrad, der das Hauptmerkmal der Dunkelstrahler, nämlich das Maß an erhaltener Infrarotleistung pro aufgewendete Energie, repräsentiert. Die Steigerung dieses Wirkungsgrades wird zusätzlich einhergehen mit einer Verringerung des konvektiv verlorenen Wärmeanteils und einer Absenkung der Abgasverluste und Emissionen. Es soll der Einsatz von neuen Brennersystemen untersucht und technische Lösungen zwecks Erhöhung der Energieausbeute, sowie neue Materialien, die die Wärmeabgabe in Form von Strahlung an die Umgebung erhöhen, gefunden werden.
Neben die experimentellen Untersuchungen werden die Vorgänge im Dunkelstrahler numerisch untersucht. Ein mathematisch-geometrisches Modell wird zur Berechnung der Strahlungswirkungsgrad erstellt, wobei als Ergebnis zusätzlich auch die Wandtemperaturverläufe, sowie die Temperaturverläufe außerhalb der Strahrohrwand dargestellt werden. Zusätzlich werden unterschiedliche, auch teilweise modifizierte Reaktions- und Strahlungsmodelle eingesetzt um die Vorgänge realistisch darzustellen.