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1 Anwendung von Computational Fluid Dynamics bei der Auslegung von Industrieöfen Roman Weber 18. November 2014 Informationsveranstaltung Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen in der Stahlindustrie und Kokereitechnik 1 Ziel dieser Präsentation: Was ist CFD? Wo kann man CFD anwenden? Was muss man studieren, um CFD zu beherrschen? 2

2 Grundlegende Annahme: (siehe Vorlesungen zu Physik, Thermodynamik, Wärmeübertragung) Erhaltung von Masse, Energie und Impuls 3 Grundform der Bilanzgleichung (Bilanz zu einen Zeitpunkt) Zufuhrrate von Masse, Energie, Impuls in das Kontrollvolumen - + = Abfuhrrate von Masse, Energie, Impuls aus dem Kontrollvolumen Erzeugungs -/Konversionsrate von Masse, Energie, Impuls innerhalb des Kontrollvolumens Speicherungsrate von Masse, Energie, Impuls innerhalb des Kontrollvolumens 4

3 Beispiel einer Energiebilanz (siehe Wärmeübertragung 1) E in + E g E out = de / dt 5 Beispiel einer Gleichung zur Energieerhaltung (siehe Wärmeübertragung 1) Q z+dz Q y+dy Q x E g E st dz z Q x+dx Partielle Differentialgleichung x Q y dx Q z y dy T k x x + T k y y + T k z z + q v = ρ c p T t 6

4 ρ Dw Dt CFD-Grundlagen: die Navier-Stokes-Gleichung = µ Zweites Newton sche Gesetz 2 w p + ρ g Erwartete Lösung: angewendet auf ein Fluid 7 ρ Dw Dt Was weiß man über die Lösung der Navier-Stokes-Gleichung? = µ 2 w p + ρ g ρ + ( ρ w) = t 0 Für eine gegebene Dichte ist das obige System geschlossen lösbar. Das ist gut! 8

5 Was weiß man über die Lösung der Navier-Stokes-Gleichung? Existiert eine Lösung? Ist die Lösung glatt? Wissen wir nicht! Wissen wir nicht! Das ist eine Eine-Millionen-Dollar-Frage! Euler sche Gleichung Dw ρ = p + ρ g Dt Es ist bewiesen, dass für kleine Geschwindigkeitswerte eine glatte Lösung der Euler schen Gleichung existiert. 9 CFD-Grundlagen Bilanzierung von: Masse Impuls Energie Stoffen Randbedingungen (Wandfunktionen) Y Z X Ein numerischer Löser wird benötigt! 10

6 Was ist CFD? Sparten der Strömungsmechanik: Experimentelle Strömungsmechanik Theoretische Strömungsmechanik Numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics CFD) CFD löst Fluidbewegung/Strömungen und Energiegleichungen unter Benutzung numerischer Methoden

7 13 Kraftwerkskessel M. Mancini, T. Kupka, N. Schaffel-Mancini, S. Brinker, M. Beckmann, A. Musiol, M. Alberti Glasschmelzöfen M. Mancini, C. Heymann Koksöfen R. Kim, R. Buczynski, M. Mancini Fixed-bed reactors M. Mancini, A. Schwabauer Beispiele von CFD-Anwendungen 14

8 Kraftwerkskessel (Mit-Verbrennung von Kohle und Biomasse) Kraftwerkskessel-Modell 15 Kraftwerkskessel Partikelverbrennung (Mit-Verbrennung von Kohle und Biomasse) 16

9 Gastemperatur [ C] Kraftwerkskessel (Mit-Verbrennung von Kohle und Biomasse) 17 Kraftwerkskessel (Verbrennungsuntermodelle) N 2, CO2 Air, O 2 Fuel Feeder Der Brennstoff muss charakterisiert werden: - Entgasung - Koksverbrennung Ceramic pipes Gas heating elements N2, CO 2, O2 Injector N2, CO 2, O2 Untermodelle müssen zur Verfügung stehen, um die (gemessenen) Daten zur Brennstoffcharakterisierung verarbeiten zu können. Thermocouples for Control system Heating elements (5KW for segment) (4 heating elements for segment) Cooling gas Sampling ports Sampling probe Main off-gas Cooling water Gas cooler Particle cyclone Probe off-gas Gas cooler Particle cyclone 18

10 Kraftwerkskessel (Verbrennungsuntermodelle) Laboratory scale slagging reactor Secondary air Primary air + Pulverised fuel Burner design Natural gas Pulverised fuel + Primary air 1. Fuel feeder Radiative section (electrically heated) 2.2 m length 3. Reactor Convective section (water cooled) 1.8 m length 2. Burner Secondary Air 0.55 m 0.55 m 0.55 m 300 mm 0.55 m Port 1, Residence time: 0.3 s Port 2, Residence time: 0.6 s Port 3, Residence time: 1.6 s Port 9, Residence time: 6 s Pressurised Air Secondary Air Movable block swirl generator Burner quarl 4. Drum, gravity/drag force seperation Fly ash 5. Quench system 6. Cyclone 7. Flue gas blower Atmosphere Fly ash 19 Kraftwerkskessel (Verbrennungsuntermodelle) Port 1 Port 2 Port % volume dry 10 T Temp CO CO CO2 O2 CO2 O ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Axial distance (m) 20

11 Kraftwerkskessel (mineralische Stoffablagerungen) Prof. Dr.-Ing. R. Weber Anwendung von Computational Fluid Dynamics bei der Auslegung von Industrieöfen , 5 Informationsveranstaltung Verfahrenstechnik 6 und Chemieingenieurwesen in der Stahlindustrie und Kokereitechnik 21 Partikeltrajektorien, eingefärbt nach Temperatur Ein holländischer und ein chinesischer Kessel 22

12 Glasschmelzöfen 23 Glasschmelzöfen (Geometrie: selbst ablaufender Film) 24

13 Glasschmelzöfen Temperaturen auf dem Glas Temperaturen auf dem Gewölbe O 2 25 Koksöfen 26

14 Koksöfen PrimaryAir Inlets Bracing System Refractory Chamber Frame Hot Gas Collecting Main Oven Door Hot Gas SecondaryAir Inlets Coke Downcomer Sole Flue Castable RC Slab 27 Koksöfen A) Primärluft, nur durch Öffnungen im Ofendach Rohgas Luft B) Primärluft, nur durch Ofentüren Rohgas Tür Ofenmitte Kohle / Koks-Kuchen Luft 28

15 Koksöfen Mischungsverhältnis von Rohgasmassenstrom zu Gesamtmassenstrom in der Brennkammer 29 Koksöfen 30

16 Koksöfen Hauptwege (Bahnlinien), eingefärbt nach Temperatur (in K) 31 Was muss man studieren, um CFD zu beherrschen? Physik oder Ingenieurwesen mit Schwerpunkten in Strömungsmechanik Mathematik (Numerische Methoden) Technische Thermodynamik Chemische Reaktionstechnik Verbrennungstechnik Wärmeübertragung 32

17 Computational Fluid Dynamics wird entweder als Kunst oder als eine neue wissenschaftliche Disziplin betrachtet

18 0.1 m Strömungen in Zyklonen 0.12 m U in = 20 m/s 0.97 m 0.2 m 36 Was erwarten Ingenieure von einem guten CFD-Paket? 37

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