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Chemischer
Gleichgewichtsrechner

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Kolloquium Verbrennungstechnik

Programm des "Kolloquium Verbrennungstechnik" für das WS-2019/20 ist verfügbar.
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Verbrennungstechnisches Seminar

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Bachelor- und Masterarbeiten

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Strahlung

Die Auslegung effizienter Kühlkonzepte spielt bei der Entwicklung moderner Gasturbinenbrennkammern eine entscheidende Rolle. Die Einhaltung der maximal zulässigen Materialtemperaturen soll dabei mit einem möglichst geringen Aufwand an Kühlluft gewährleistet werden. Es ist daher erforderlich schon in der Entwicklungsphase die benötigten Kühlluftmassenströme zu kennen, da diese direkten Einfluss auf die zur Verfügung stehende Verbrennungsluft und somit auf die Schadstoffemissionen der Brennkammer haben.

Durch die Entwicklung eines geeigneten Modells soll unter Berücksichtigung der strahlungsaktiven Gase im Flammraum, der Strahlungswechselwirkung mit in der Flamme suspendierten Partikeln (wie z.B. Russ) und der Strahlung der Brennkammerwände die Wandtemperatur einer Brennkammer bestimmt werden. Die so ermittelte Temperaturverteilung kann anschließend zur Optimierung verschiedener Kühlkonzepte verwendet werden.

Zur numerischen Simulation der Strahlungsvorgänge in der Brennkammer wird ein sog. Monte-Carlo Verfahren verwendet. Das Prinzip dieser Simulationsmethode beruht auf der Verfolgung einer großen Anzahl zufällig verteilter Photonen durch den Brennraum. Die auf diese Weise ermittelte Verteilung der absorbierten Photo-nen kann schließlich als die übertragene Strahlungswärme interpretiert werden.


 

SOot Processes and Radiation in Aeronautical inNOvative combustors
(SOPRANO)
Die wissenschaftliche Hauptziel von SOPRANO ist es einen Durchbruch in den Forschungsbemühungen auf dem Feld der Rußpartikelchemie, der Partikelgrößenverteilung und deren Auswirkung in Bezug auf Strahlung bei Betriebsbedingungen, die typisch für Luftfahrtantriebe sind, zu erreichen. SOPRANO zielt darauf ab das Wissen und die Möglichkeiten experimenteller und numerischer Untersuchungen zu verbessern und so die Charakterisierung und Vorhersage von Rußemissionen unter "Low NOx" Verbrennungsbedingungen zu ermöglichen. 

 
Das industrielle Hauptziel von SOPRANO besteht darin die detaillierte Charaterisierung von Rußpartikeln durchzuführen, die von modernen Brennkammern bei realitätsnahem Betriebsbedingungen (z.B. bei erhöhtem Druckniveau) entstehen und so den Weg freizumachen für ein zukünftiges Design von hocheffizienten Brennkammern. Dazu ist eine genauere Bestimmung der Strahlungseigenschaften und damit der Brennkammerwandtemperaturen erforderlich. 

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.

 

 

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


Peroxid Poolflammen
(ZN11766_10)
Es hat sich gezeigt, dass die bisherigen weit verbreiteten Oberflächen-Strahlungsmodelle, ohne Berücksichtigung chemischer Reaktionen (Verbrennungsmodelle) sowie ohne Turbulenz- und Rußmodelle zur Abschätzung des Gefahrenpotentials von Schadenfeuern, überdacht werden müssen. Stattdessen sind fluiddynamische kohärente Strukturen und CFD-Simulationen wechselwirkender Brände zu betrachten, unter Einbeziehung obiger, teils zu entwickelnder Submodelle.

Insbesondere soll das Wissen über die Wechselwirkungsphänomene zwischen zwei und einer größeren Anzahl von Poolbränden experimentell und mit CFD-Simulation untersucht werden. Außerdem soll das Wissen über die Länge der sog. klaren Verbrennungszone, die nicht mit schwarzen Rußballen bedeckt ist, vertieft werden. Ebenfalls soll das Wissen über die spezifische Ausstrahlung (SEP) bei Einzel- und wechselwirkenden schwarz rußenden Bränden erweitert werden.

Von großer Bedeutung und eine Voraussetzung für die Erreichung der oben genannten Ziele ist außerdem die Erweiterung des Wissens über die chemischen Elementarreaktionen in Peroxid-Poolfeuern insbesondere auch hinsichtlich der Rußbildung in solchen und in KW- Poolfeuern. Hierzu werden Mechanismen der Rußbildung verbessert und Reaktionsmechanismen für die Verbrennung von organischen Peroxiden entwickelt und in CFD-Werkzeuge integriert. Ansätze hierfür sind z.B. Flamelet-Konzepte, die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens verfolgt werden sollen.

In diesem Forschungsvorhaben soll die Untersuchung der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen und Di-tert-butylperoxid (DTBP), (CH3)3C-O-O-C(CH3)3 in O2/N2-Flammen durchgeführt werden.

Durch diese interdisziplinäre Vorgehensweise können die folgenden Ziele erreicht werden:
  • Verbesserung und Entwicklung von Reaktionsmechanismen für die Bildung und Oxidation von Ruß bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen bzw. Verbrennung von organischen Peroxiden (DTBP). Hierzu ist es erforderlich, für die einzelnen relevanten chemischen Reaktionen dieser Stoffsysteme die kinetischen Daten zu ermitteln, um für jeden Reaktionsweg dieses Systems die Geschwindigkeitskoeffizienten als Funktion der Temperatur und des Drucks zu erhalten
  • eine deutlich realistischere Abschätzung der SEP von KW- und Peroxid-Poolbränden
  • eine erstmalige Abschätzung der SEP von wechselwirkenden KW- und Peroxidbränden
  • eine deutlich verbesserte Abschätzung thermischer Abstände zwischen Poolbränden und benachbarten Schutzobjekten sowie die Erarbeitung von
  • Vorschlägen für Maßnahmen zur Brandvermeidung im Umgang mit entzündbaren und selbst zersetzlichen Flüssigkeiten in verfahrenstechnischen Anlagen.



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Intelligent Design Methodologies for Low Pollutant Combustors for Aero-Engines
(IMPACT_AE)

Mithilfe des Projekts IMPACT-AE sollen europäischen Triebswerkshersteller unterstützt werden, damit diese mit den US-Konkurrenten Schritt halten können, die bereits schon über Techniken für die Verbrennung in Triebwerken bei niedrigen Emissionswerten verfügen.
Schlüsselelemente des Projekts sind die Entwicklung und Validierung von Auslegungswerkzeugen, mit denen systematisch die NOx und CO-Emissionen reduziert werden können.
Dies soll durch die Optimierung des Auslegungsprozesses für die Brenner erreicht werden. Die Optimierung soll durch die Kombination von Auslegungswerkzeugen für den Entwurf und die detaillierte Parametrisierung  von Verbrennungssystemen bei niedrigen Emissionswerten erreicht werden. Zusätzlich soll die Vorhersagegenauigkeit der numerischen Berechnung durch verbesserte Modelle für den Wärmeaustausch und das NOx erhöht werden.
Neben der Kombination wird die Optimierung mit der genaueren und realistischen Abbildung dieser Verbrennungssysteme sowie der Möglichkeit, die Skalierung der Brenner zu untersuchen, ermöglicht. Infolgedessen soll die Entwicklungsdauer für derartige Brennertypen deutlich gesenkt werden (bis zu 50%).

Das Projekt IMPACT-AE ist unterteilt in folgende Work Packages:

  • 1. WP1: Entwicklung geschickter Gestaltungsrichtlinien zur Realisierung einer „sauberen“ Verbrennung
  • 2. WP2: Modellierung und Auslegung fortgeschrittener Konzepte zur Kühlung der inneren Brennkammerwand (combustion liner).
  • 3. WP3: Validierung der Modelle und Richtlinien durch Flammendiagnostik
  • 4. WP4: Demonstration der Methoden an Triebwerken
Im WP2 soll die Genauigkeit und die Verlässlichkeit von Modellen verbessert werden, mit denen die Wandkühlung ausgelegt wird. Ziel des Subtasks, an dem sich KIT beteiligt, ist die Weiterentwicklung bestimmter numerischer Modelle für die Berechnung des Wärmeaustauschs. Der Fokus soll dort auf die Modellierung der Mischungsvorgänge in den Verbrennungsreaktionszonen und der Strahlung gelegt werden.
Die Aufgabe des VBT  ist dabei die Berechnung des Einflusses der Turbulenz auf die Strahlung.  Dies soll durch die Verwendung von PDFs (Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen) zur Berechnung der turbulenten Schwankung der Wärmefreisetzung erreicht werden. Die PDFs werden mithilfe der Erwartungswerte und der Varianzen des Mischungsbruchs und der Temperatur aufgestellt, die mit Transportgleichungen berechnet werden müssen.
The whole task will be performed in three steps:

  • Das Strömungsfeld der Verbrennungszone wird ohne Strahlung berechnet, um die Bereiche zu identifizieren, denen besondere Beachtung in den Experimenten zukommen muss.
  • Das Strömungsfeld unter Berücksichtigung der Wärmestrahlung zur Bestimmung der Brennerwandemperaturen wird berechnet
  • Das Strömungsfeld unter Berücksichtigung der turbulenten Schwankung der Wärmestrahlung wird berechnet

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)

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.


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.


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.


Berechnung von Strömung und Wärmeübertragung in der Mikrostruktur fester keramischer Schwämme
(FOR583-T2)
Der Transport von Wärme in festen Schwämmen ist sowohl von der Mikrostruktur des Festkörpermaterials als auch von den Materialeigenschaften des Festkörpers und der Gasphase abhängig. Dies gilt insbesondere bei hohen, für Verbrennungsvorgänge relevanten Temperaturen (T>1000K), da hier zusätzlich zur Wärmeleitung durch Festkörper und Gasphase und zur Konvektion auch ein hoher Anteil des Wärmetransports durch Strahlung erfolgt.
Die Separation der physikalischen Effekte Wärmeleitung (Festkörper), Wärmeleitung (Gasphase), Wärmübergang Gasphase zum Festkörper und Strahlung von Festkörper zu Festkörper ist durch experimentelle Untersuchungen aufgrund der sehr begrenzten Zugänglichkeit nur sehr schwer möglich. Im beantragten Teilprojekt soll daher unter Zuhilfenahme der mit Computertomografie gemessenen Geometriedaten von Schwämmen numerische Simulationen (CFD) der Wärmeübertragung durchgeführt werden.
Dabei wird sowohl Konvektion und Wärmeleitung aber auch der Wärmeübergang und insbesondere die Wärmestrahlung auf Basis von Monte Carlo Simulationen detailliert beschrieben. Ziel ist die Beschreibung des Gesamtphänomens durch eine effektive Wärmeleitfähigkeit.

Rechts ist eine mit einem Zufallsprozess erzeugte generische Schwammstruktur dargestellt, bei der versucht wurde durch geeignete Geometrieparameter die physikalischen Eigenschaften der realen Struktur zu rekonstruieren.