FEE AG Vergasung von Biomasse St. Goar am Rhein / Pfalzfeld Können Computermodelle bei der Vergaserentwicklung helfen?

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1 Können Computermodelle bei der Vergaserentwicklung helfen? Dr.-Ing. Andreas Hiller Dipl.-Ing. Ronald Wilhelm Dr.-Ing. Tobias Zschunke (Vortragender) u.a.

2 Anfrage an den Sender Jerewan: Können Computermodelle bei der Vergaserentwicklung helfen? Antwort: Im Prinzip ja aber erstens gibt es sie noch nicht und zweitens interessiert sich keiner dafür. 2

3 Inhalt Computermodellierung Beispiele aus verwandten Problemstellungen Chancen Zu bedenkende Aspekte 3

4 Was bedeutet Computermodell? Energie- und Elementbilanz Gesamtsystem Black Box Mehr und mehr aufgeschlüsselt auf Teilkomponenten Volllast- und Teillastzustände Modellierung lokaler Problemstellungen Örtlicher Wärmetransport Örtliche Temperaturverhältnisse an kritischen Punkten Gleichgewichtsbetrachtungen als Grenzwertbetrachtungen Dynamisches Verhalten einzelner Komponenten Königsklasse: Komplettmodell (CFD) 4

5 Energie- und Elementbilanzierung Erster Arbeitsschritt jeder mathematischen Modellierung. Was reingeht, muss auch wieder rauskommen! 5

6 Königsklasse: Komplettmodell Computational Fluid Dynamics (CFD) Unterteilung des Reaktionsraumes in Tausende virtueller Zellen, die miteinander über Energie- und Stoffbilanzen im Kontakt stehen Bildung eines nichtlinearen Gleichungssystems aus tausenden Gleichungen für tausende Unbekannte Wechselwirkungen gasförmig Chemie StrömungTemperatur fest flüssig 6

7 Blick zur Meteorologie Computergestützte Wettervorhersage basiert auf CFD Vorhersagegüte ständig gestiegen, warum? Verbesserungen beim Zusammenwirken von Mathematik und Computerarchitektur, Verdichtung der Messdatenbasis (Stichwort: Kachelmann) 7

8 CFD für Vergasung, Stand Machbarkeit ist nachgewiesen. Bessere Modellierung des Energietransportes im Partikel und in der Partikelschüttung erforderlich. Chemische Kinetik an der Partikeloberfläche und in der Gasphase muss eingearbeitet werden. Über neue Lösungsstrategien muss nachgedacht werden, um z.b. Hochleistungs-Parallelrechentechnik nutzbar machen zu können. 8

9 Methodik Systematische wissenschaftliche Grundlagenarbeit auf der Basis eines breiten Messstellennetzes. Am wertvollsten sind Punktmessungen (definierter Ort definierte Zeit, möglichst gut verteilt im Reaktionsraum oder zumindest an den Stoffströmen, siehe IGEL Dresden). Auch integrale Input/Output Messungen im Zusammenhang mit guten Geometrieangaben sind wertvoll. Gegenseitige Rückkopplung Praxis Modellierung: Welches sind die wichtigsten Fragestellungen aus Sicht der Praxis? Was kann evtl. mathematisch, was nur im Laborexperiment beantwortet werden? Welche Messungen wären ergänzend nötig, um das Bild von den Vorgängen zu vervollständigen? 9

10 Beispiele aus verwandten Problemstellungen (Anwendung der CFD) 10

11 KRAFTWERKSTECHNIK M. Schneider, R. Wilhelm Vergaser IGEL der TU Dresden CO-Verteilung in Volllast und Teillast Methode CFD-Modell Vergleich mit Experiment 11

12 THERMODYNAMIK M. Neumann, S. Broda Optimierung der Lage eines Konstruktionsdetails in einer Biomassefeuerung Kriterium Rußbildung Methode Modellbildung Variantenuntersuchung 12

13 KRAFTWERKSTECHNIK V. Hildebrand et. al. Großkraftwerks- Dampferzeuger, Kohlenstaubfeuerung Auswahl Partikelbahnen und Temperaturen Methode CFD-Modell Vergleich mit Experiment 13

14 Ablagerungen 14

15 Chancen einer gemeinsamen (Entwickler, Hersteller und Forscher) Annäherung an die Computergestützte Modellierung 15

16 Chancen Systemverständnis durch Systemanalyse: Vertiefung des Grundlagenwissens durch Zusammenziehen vieler Informationsquellen. Fehleridentifikation durch Nachrechnen bzw. physikalisches Nachmodellieren der Vorgänge in Teilbereichen. Unterstützung der Akquisition. Unterstützung der Bildung. Vorbereitung von Änderungen an der Konstruktion durch rechnergestützte Abschätzung der Wirkung. 16

17 Versuch 3 Versuch 1 Versuch 2 Versuch 4 Modell Versuch 5 17

18 Uni - KMU Kleine Unternehmen können sich keine Forschungsabteilung leisten. Angebot: Uni-Arbeitsgruppen werden zu externen Forschungsabteilungen der KMU. Viele gute Beispiele u.a. an TU Dresden. 18

19 Ziel: Vernetzte Zusammenarbeit zur Vergasermodellierung Kraftwerkstechnik Thermodynamik Wärme- und Stoffübertragung Abfalltechnik Energiesystemtechnik, Energiewirtschaft Energie- und Umweltverfahrenstechnik Landtechnik Forschungsinst. AB TU Dresden Uni XY Uni YZ Hersteller A Hersteller B Hersteller C Hersteller D 19

20 Einstieg in die vernetzte Zusammenarbeit: 1. Projekt Vergasererfassung der FEE Herr Bräkow, Herr Dr. Rickert Möglicher Beitrag der TU Dresden: Wissenschaftliche Überarbeitung der Bilanzierungsmethodik Basierend auf existierenden Vorarbeiten, Berücksichtigung von Besonderheiten des Vergasungsvorganges. 2. Einzelprojekte zu Detailproblemen betreffend z.b. lokalen Energiefluss, lokale Wirkung von Schlackeansatz. 20

21 Zu bedenkende Aspekte: Umgang mit Urheberrechten Finanzierung 21

22 Umgang mit Urheberrechten Ein Innovationsvorteil kann durch Verletzung des Datenschutzes verloren gehen. Lösung: - Schrittweise Stärkung des Vertrauensverhältnisses und - Juristische Sicherung. Beispiel: Zusammenarbeit von TUD-Arbeitsgruppen innerhalb des Förderprogramms ProInno. 22

23 Finanzierung, Vorschlag zur Herangehensweise 1. Kennenlernphase (= Angebotsphase): Informationsaustausch, kleine Berechnungsprojekte - Hersteller lernt Möglichkeiten und Grenzen der Uni-Forschung kennen. - Uni-Forscher lernen die Fragestellungen der Hersteller kennen. Finanzierung durch Vorleistungen des Auftragnehmers (studentische Arbeiten, Haushaltsmittel). 2. Öffentlich finanzierte Phase - Finanzquelle: KMU-Förderung auf Landes- oder Bundesebene, - KMU bleibt Eigentümer des technologischen KnowHow. 3. Privat finanzierte Phase - nach Eintreten des wirtschaftlichen Erfolges, - Ziel: Optimierung, Anpassung. 23

24 Vereinfachte Mathematische Modellierung (z.b. Bilanzierung) ist N Ü T Z L I C H und M A C H B A R 24

25 Detaillierte Mathematische Modellierung (CFD) ist N Ü T Z L I C H und M A C H B A R aber auch für erfahrene Experten H E R A U S F O R D E R N D und R E S S O U R C E N I N T E N S I V 25

26 Können Computermodelle bei der Vergaserentwicklung helfen? Ja. Hoffentlich bald. Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 26

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