Verbrennungsprozesse
Die Nachverbrennung von CO- und H2-haltigen Abgasen wird in vielen Fällen bei radialer Lufteindüsung in zylindrischen Brennkammern durchgeführt.
In Bild 1 ist das Prinzip einer Brennkammer für eine einstufige Lufteindüsung dargestellt. Von besonderem Interesse für den Projektanten ist die Fragestellung bei welcher Düsenanzahl n und bei welchem Düsen- durchmesser d nach einem bestimmten Mischweg eine weitgehende Temperaturhomogenität über den Querschnitt erreicht wird. Numerische Berechnungen mit dem Programmsystem FLUENT ergaben, dass die Temperaturhomogenität von der dimensionslosen Eindringtiefe h/R des Luftstrahls abhängig ist, wobei R der Radius der Brennkammer ist. Als bestimmende physikalische Größe für die Eindringtiefe wurde das Verhältnis der dynamischen Drücke J (auch als Impulsstromverhältnis bezeichnet) ermittelt.
Bild 1: Brennkammerschema mit radialer Lufteindüsung
Bild 2 zeigt Temperaturprofile bei unterschiedlichen Impulsstromverhältnissen J/n2. Der linke Rand der Bilder repräsentiert die Kanalwand und der rechte Rand die Kanalmitte. Die Umlenkung des radialen Düsenstrahls ist im wesentlichen schon nach 0,25 Durchmessern abgeschlossen und ist in diesem Bereich gekennzeichnet durch Temperaturerhöhung infolge Verbrennung an den Flanken. Eine Erhö- hung des radial zugeführten Gasstromes vergrößert die Werte J/n2 und führt zu einer Verschiebung der Strömungsbahnen in Richtung Kanalmitte. Die kleinsten Temperaturdifferenzen nach einer Länge von 2 Durchmessern ergeben sich bei J/n2=0,3. In Bild 3 werden die Temperaturdifferenzen nach einem Mischweg von 2 Durchmessern in Abhängigkeit von J/n2 gegenübergestellt. Parameter ist die Anzahl der Düsen n.
Bild 2: Temperaturfelder in einer Brennkammerbei einstufiger Lufteinblasung
Für alle untersuchten Düsenzahlen bildet sich bei J/n2 =0,3 ein relatives Minimum. Bei Düsenzahlen bis 20 führen Abweichungen von J/n2=0,3 nach oben als auch nach unten stets zu einer Vergrößerung der Temperaturdifferenzen im Brennkammerquerschnitt. Ist die Düsenzahl 24 und höher, so wird durch eine Überschreitung von J/n2=0,3 eine weitere Reduzierung der Temperaturdifferenzen bewirkt. Für eine vorgegebene Düsenanzahl n kann mittels der Randbedingung J/n2=0,3 der optimale Düsendurchmesser d bestimmt werden.
Bild 3: Einfluss der Düsenzahl und von J/n2 auf die Temperaturdifferenzen
Ausgewählte Publikationen zum Forschungsschwerpunkt: Verbrennungsprozesse / Combustion Processes
- Nirmolo, A.; Woche, H.; Specht, E.; Skroch, R.: Mixing of jets in cross flow after double rows of radial injections. Chemical Engineering and Technology 31 (2008) 2, 294-300.
- Nirmolo, A.; Woche, H.; Specht, E.: Temperature Homogenisation of reactive and non-reactive Flows after Radial Jets Injections in confined cross-flow. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2 (2008)1, 85-94.
- Nirmolo, A.; Woche, H.; Specht, E.: Gas mixing in cylindrical chambers after radial jets injection Progress in Computational Fluid Dynamics 7 (2007) 447-456,
- Nirmolo, A.; Woche, H.; Specht, E.: Auslegungskriterien zur Temperaturvergleichmäßigung in Brennkammern mit radialer Lufteindüsung. Gaswärme int. 55 (2006) 338 - 341
- Woche, H.; Nirmolo, A.; Skroch, R.; Specht, E.: Intensivmischung von radialen Düsenstrahlen mit einer Hauptströmung. Gaswärme International 54 (2005) 301-307.
- Ulzama, S.; Specht, E.: Reaction Kinetics of Carbon-Carbon Dioxide Reaction in an Environment of CO2-CO-N2 at Elevated Temperatures. Industrial and Engineering Chemistry Research (submitted 05/06) Specht, E.; Sahoo, R.: Analytisches Modell zur Simulation der Verbrennung der Flüchtigen von festen Brennstoffen und deren Einfluss auf die Erwärmung. 23. Deutscher Flammentag, VDI Berichte 1988 (2007).
- Ulzama, S.; Specht, E.: An analytical study of droplet combustion under microgravity: quasi-steady transient approach. 31st International Symposium on Combustion. 06-11 August 2006 in Heidelberg (Germany). Proceedings of the Combustion Institute, 2301-2308.
- Ulzama, S.; Specht, E.: Modeling the reaction mechanism of lumped porous coke particles during industrial processes. Indian Chemical Engineering Congress 14 - 17 December 2005, New Dehli. Giese, A.; Specht, E.: Einfluss der Form auf die Verbrennung von Kohlepartikel mit gleichem Siebdurchmesser. 20. Deutscher Flammentag. VDI Berichte (2001) Nr. 1629, 109-114
- Giese, A.; Specht, E.: Influence of Shape on the Burn-off of Coke Particle. Proceedings of the 3rd European Congress of Chemical Engineering, Nürnberg 26-28 June (2001). Kurzfassung: Chemie Ingenieur Technik 73 (2001) 686.
- Jeschar, R.; Specht, E.; Bittner, H.-G.: Brennstoff- und Kosteneinsparung durch Sauerstoffanreicherung der Verbrennungsluft in Industrieöfen. Stahl und Eisen 108 (1988), 835-840.