Clean Circles

Untersuchung der laminaren Verbrennungswellengeschwindigkeit und -struktur in Eisenstaubbrennern vom Typ Bunsen

 

Ziel dieses Projektes ist es, die resultierende Verbrennungswellengeschwindigkeit, "Flammentemperatur" und Oxidationswellenstruktur sowie den Eisenpartikel-Oxidationsgrad von Eisenstaubflammen in Abhängigkeit von der Luftvorwärmung, dem Gesamtluft-Brennstoff-Verhältnis, dem Partikeldurchmesser und in einem späteren Schritt der Luft-/Partikel-Relativgeschwindigkeit unter wohldefinierten Referenzrandbedingungen experimentell zu bestimmen.

Um dieses Ziel zu erreichen, erfolgte zunächst eine Auslegung und Konstruktion eines Eisen-„Staub“-Partikelbrenners, der grundlagenorientierte Untersuchungen unter wohldefinierten Randbedingungen erlaubt. . Die Erzeugung einer homogenen Partikelbeladung ist von hoher Bedeutung, um einen stabilen Betrieb ohne zusätzlichen Brennstoff wie z.B. Methan, Vorwärmung oder Pilotierung zu ermöglichen. Anschließend werden die zur Bestimmung der Propagationsgeschwindigkeit notwendigen Messverfahren und die Analyse der thermischen Wellenstruktur erprobt und angepasst, um die Propagationsgeschwindigkeit und die Temperaturverteilung in Abhängigkeit von den genannten relevanten Größen zu bestimmen.

Darüber hinaus werden die resultierenden Unterschiede in der effektiven Verbrennungswellengeschwindigkeit aufgrund der Relativgeschwindigkeiten zwischen Partikel und umgebender Luft in Zusammenarbeit mit numerischen Daten aus dem Teilprojekt von C. Hasse modelliert.

Die Verbrennungsprodukte werden für verschiedene Betriebsbedingungen global und lokal gesammelt und in den Teilprojekten von O. Deutschmann, U. Kramm und H. Nirschl analysiert bzw. reduziert.

Es besteht eine enge Zusammenarbeit im Bereich Messtechnik, Datenauswertung und praktischen Aspekten vom Brennerbetrieb mit den Forschungsgruppen von B. Böhm und A. Dreizler , die Eisenverbrennung in anderen Typen von Brennern untersuchen. In späteren Phase des Teilprojektes sind Untersuchungen an turbulenten Eisenflammen vorgesehen, die numerisch durch die Gruppe von O. Stein modelliert werden.

 

Wissenschaftliche Fragestellungen:

  • Welcher Zusammenhang besteht zwischen der effektiven Oxidations-/Verbrennungswellengeschwindigkeit unter laminaren Strömungsbedingungen und Parametern wie der Temperatur der Edukte, dem gesamten Sauerstoff-Brennstoff-Verhältnis, dem Partikeldurchmesser und der Partikelanzahlkonzentration?
  • Was ist der Einfluss der Partikelstruktur und der lokalen Größenverteilung unter laminaren Strömungsbedingungen an die Flammenstabilität?
  • Ist es möglich durch die Messungen unter wohldefinierten Referenz-Randbedingungen, von der Relativgeschwindigkeit der Partikel zum umgebenden Luftstrom, Referenzdaten für ein turbulentes Verbrennungswellen-/Flammengeschwindigkeitsmodell zu erhalten?
Skizze vom Eisenbrenner
Versuchsanlage
Bilderauswertung [doi.org/10.1016/j.jaecs.2022.100111]
Gemessene laminare Flammengeschwindigkeit vom Eisenpulver [doi.org/10.1016/j.jaecs.2022.100111]

Eisenflamme mit 10 kHz aufgenommen. Luftzahl λ=1 (auf Fe2O3 bezogen), Partikeldurchmesser d50 = 13 µm. Durchmesser des Rohrbrenners ist gleich 20,5 mm. Mittlere Austrittsgeschwindigkeit aus dem Rohr u0 = 30 cm/s.

 

Fotos von Eisenflammen unter verschiedenen Sauerstoffkonzentrationen in der Gasphase. Luftzahl λ=1 (auf Fe2O3 bezogen), Partikeldurchmesser d50 = 5 µm. Durchmesser des Rohrbrenners 2R0 = 20,5 mm. [link]

 

Veröffentlichungen:

  • M. Fedoryk, B. Stelzner, S. Harth, D. Trimis, Experimental investigation of the laminar combustion wave velocity of iron-air flames in a tube burner, Appl. Energy Combust. Sci. 2023, 13, 100111 [doi.org/10.1016/j.jaecs.2022.100111]
  • S. Buchheiser, M. Deutschmann, F. Rhein, A. Allmang, M. Fedoryk, B. Stelzner, S. Harth, D. Trimis, H. Nirschl, Particle and phase analysis of combusted iron particles for energy storage and release, Materials, 2023, 16(5), 2009. [doi.org/10.3390/ma16052009]

Konferenzbeiträge:

  • M. Fedoryk, B. Stelzner, S. Harth, D. Trimis, Laminar burning velocity measurements and stability map determination of Fe-N2/O2 mixtures in a tube burner, Proceedings of 11th European Combustion Meeting, 2023, France [link]
  • M. Fedoryk, B. Stelzner, S. Harth, D. Trimis, Bestimmung der laminaren Brenngeschwindigkeit von Eisenstaub-Luft Flammen (Vortrag), Jahrestreffen der DECHEMA Fachgruppe Hochtemperaturtechnik, 2023, Karlsruhe
  • M. Fedoryk, B. Stelzner, S. Harth, D. Trimis, Experimental Investigation of iron-air flames in a tube burner (Vortrag), 1st Workshop on Metal-enabled Cycle of Renewable Energy (MECRE), 2022, Eindhoven
  • M. Fedoryk, B. Stelzner, S. Harth, D. Trimis, Laminar combustion wave velocity and structure investigation in Bunsen type iron dust burners (Poster), 773. WE-Heraeus-Seminar Materials and Energy ‐ New Directions for the “Energiewende”, 2022, Bad Honnef
  • M. Fedoryk, B. Stelzner, S. Harth, D. Trimis, Laminar combustion wave velocity and structure investigation in Bunsen type iron burner (Poster), 9. Jahrestagung KIT-Zentrum Energie, 2022, Karlsruhe
  • H. Heidarifatasmi, N. Zarzalis, D. Trimis, Numerical Simulations of Iron Particle Dispersion in a Fan-stirred Closed Vessel (Poster), 9. Jahrestagung KIT-Zentrum Energie, 2022, Karlsruhe