Untersuchungen zur Strömungssimulation in einem Holzfeuerungsbrennraum ANSYS Conference & CADFEM Users Meeting 2014

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1 Untersuchungen zur Strömungssimulation in einem Holzfeuerungsbrennraum ANSYS Conference & CADFEM Users Meeting September 2014 Martin Schneider 1

2 Institut für Energiesysteme und Fluid- Engineering (IEFE) 44 Mitarbeiter (davon 13 Dozenten) Industrie- und Forschungsprojekte Projekt-, Bachelor- und Masterarbeiten Rechencluster mit ~300 CPU-Kernen und über GB RAM 2

3 Aufgabenstellung Optimierung des Brennraums über Sekundärluftzuführung (4): - Steigerung des Gesamtwirkungsgrads und Reduktion der Emissionen bei Minimallast sowie während des Anfahrens Verbesserung der Verbrennung Steigerung der Verweilzeiten Erreichen einer optimalen Durchmischung im Brennraum - Überprüfung des vereinfachten Simulationsmodells bzgl. hinreichender Genauigkeit zur Verbesserung von Brennräumen Holzfeuerung der Firma Schmid AG, Typ UTSK 3

4 Vorgehen / Ablauf Simulation und Verbesserung mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD) Modellen 1. Experimentelle Untersuchung (Messungen) der Ausgangssituation des kalten Brennraums (20 C) ohne Hackschnitzelhaufen 2. CFD-Modellbildung und Abgleich mit Messungen (20 C) 3. Modellerweiterung zum Referenzmodell für die Optimierung 4. CFD-Optimierungsrechnungen mittels div. Parameterstudien 5. Überprüfung der besten Variante aus den CFD-Studien im Schmid hauseigenen Prüfstand 4

5 Experimentelle Untersuchungen der Ausgangssituation des Brennraums Vermessung der punktuellen und ebenen Strömungsgeschwindigkeiten mittels PIV- und LDA-Verfahren bei kaltem Brennraum (20 C) und ohne Hackschnitzelhaufen. PIV-Messung LDA-Messung 5

6 PIV-Messung Aufbau PIV-Messung Laserschnitt PIV-Messung mit Target 6

7 LDA-Messung Aufbau LDA-Messung Laserschnittpunkt LDA-Messung 7

8 PIV- und LDA-Messungen Fazit: PIV-Messungen haben Probleme bereitet Starke Reflexionen Hauptströmung senkrecht zur Messebene Sehr enge Platzverhältnisse LDA-Messungen haben gut funktioniert Ca. 330 aussagekräftige Messpunkte aufgenommen Erweiterte Messdistanz auf 2 m (LDA-Optik) Winkelanpassung von 13 notwendig (Zugänglichkeit) Begrenzte Zutrittszeit zur Kundenanlage (3 Tage, inkl. PIV- Messungen) 8

9 Aufbau CFD-Modell für Abgleich Randbedingungen: - 2-Phasen, Stationäre Simulation - Fluid 1: Primärluft (mit Luft als ideales Gas bei 20 C) - Fluid 2: Sekundärluft (mit Luft als ideales Gas bei 20 C) - Ohne Hackschnitzelschüttung - Isotherme Simulation bei 20 C - Referenzdruck: bar - Referenzdichte: kg/m -3 - Turbulenzmodell: k-epsilon - Einlass: 100 %-Last / 30 %-Last - Primärluft Rost: kg/s / kg/s (rot) - Primärluft unten: kg/s / kg/s (rot) - Sekundärluft: kg/s / kg/s (grün) - Auslass: Unterdruck von bar (blau) 9

10 Aufbau CFD-Modell für Abgleich Randbedingungen Gitter: - Vernetzung im ANSYS ICEM - Netz aus über 3 Mio. Hexaedern - Viele lokale Verfeinerungen - Maximaler Wachstumsfaktor des Gitters x1.2 10

11 Abgleichanalyse Fazit: CFD-Modell bildet die Strömungsvorgänge ab, die mit LDA gemessen wurden Die Eindringtiefe und der Impulsabbau des Freistahls stimmen gut Die Auslenkung des Freistrahls in die Strömungshauptrichtung findet sich im CFD und den LDA-Messungen Zonen niedriger Geschwindigkeiten finden sich im CFD und den LDA- Messungen Unsicherheitsfaktoren: - Zeitliche Strömungsphänomene (instationäre Wirbel) - Gleichverteilung der Sekundärlufteinbringung 11

12 Aufbau Referenzmodell bei 20 C / 900 C Randbedingungen: - 2-Phasen, Stationäre Simulation - Fluid 1: Primär- und Sekundärluft (mit Luft als ideales Gas bei 20 C / 900 C) - Fluid 2: Holzgas (mit Luft als ideales Gas bei 20 C / 900 C) - Mit Hackschnitzelschüttung - Freies Volumen: 30 % - p über Schüttung: ca bar (nach Ergun) - Isotherme Simulation bei 20 C / 900 C - Referenzdruck: bar - Referenzdichte: kg/m -3 / kg/m -3 - Turbulenzmodell: k-epsilon - Einlass: - Primärluft Rost: kg/s (grün) - Primärluft unten: kg/s (grün) - Sekundärluft: kg/s (grün) - Holzgas: kg/s (braun) - Auslass: Unterdruck von bar (blau) 12

13 Referenzsimulationen (20 C / 900 C) Contour plot Velocity Simulation bei 20 C Simulation bei 900 C 13

14 Referenzsimulationen (20 C / 900 C) Contour plot Velocity Simulation bei 20 C Simulation bei 900 C 14

15 Referenzsimulationen (20 C / 900 C) Streamline Time (Eintritt Oberfläche Schüttung) Simulation bei 20 C Simulation bei 900 C 15

16 Referenzsimulationen (20 C / 900 C) Fazit: Referenzmodell bildet die erwarteten Strömungsphänomene ab und kann zur Optimierung verwendet werden Anpassung des Temperaturniveaus von 20 auf 900 C Gute Konvergenz beider Simulationen Jedoch längere Rechenzeit für Simulation bei 900 C Ähnliche Strömungsausbildung (Vector und Contour plot) Anstieg der Geschwindigkeit (Massenstrom Randbedingung) Senkung der Verweilzeiten Ähnliche Mischgüten Für CFD-Optimierungsrechnungen mit Referenzmodell (900 C) weitergerechnet 16

17 Durchgeführte Parameterstudien mittels CFD-Optimierungsrechnungen Veränderbare Parameter Querschnittsverengung: - Bogen - Nachbrennraum - Steig Lochanordnung: - Brennraum - Vorhang Luftüberschuss Stirnseite: - Quantitativ - Winkel Stirnseitige Lufteingänge Lochgrösse 17

18 CFD-Optimierungsrechnungen Fazit: Laut CFD: Steigerung des Gesamtwirkungsgrads um % (je nach Lastfall) bei gleichzeitiger Reduktion der Emissionen bei Minimallast sowie während des Anfahrens Möglich durch geometrische Anpassungen des Brennraums Positiver Nebeneffekt: Verstärkter Aufbau von Prozess Know-how bzgl. der Sekundärlufteinbringung in den Brennraum 18

19 Prüfstandmessungen bei Schmid AG Fazit: Überprüfung des besten Optimierungsvorschlags aus dem CFD auf dem Schmid hauseigenen Prüfstand hat CFD- Berechnungen und seine Vorhersagen bestätigt Als Nebeneffekte wurden jedoch höhere Verbrennungstemperaturen festgestellt (Material- und Verschleissthematik) Isotherme Simulationen bei 900 C konnten diesen Effekt nicht vorhersagen 19

20 Fragen? Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, an alle Projektbeteiligten und vor allem der Firma Schmid AG aus Eschlikon sowie der KTI für die finanzielle Unterstützung. 20