Stabilisierung turbulenter Flammen durch elektrische Felder

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Stabilisierung turbulenter Flammen durch elektrische Felder"

Maike Schmidt
vor 7 Jahren
Abrufe

1 Stabilisierung turbulenter Flammen durch elektrische Felder F. Beyrau, A. Sakhrieh, F. Altendorfner, A. Leipertz Lehrstuhl für Technische Thermodynamik, Universität Erlangen-Nürnberg T. Hammer, G. Lins Siemens AG, Energy Conversion and Environmental Technologies, Erlangen F. Dinkelacker Lehrstuhl für Thermodynamik und Verbrennung, Universität Siegen Dipl.-Ing. Micha Löffler ERCOFTAC Technologietag Stuttgart

2 Gliederung Motivation Wechselwirkung elektrischer Felder mit Flammen Hochdruckbrenner - Prüfstand Experimente Emissionsminderung Einfluss der Geometrie des elektrischen Feldes / Elektrodenposition Flammenstabilität Periodische Flammensteuerung Zusammenfassung & Ausblick

3 Motivation Mager-Verbrennung für low-no X -Verbrennung in Gasturbinen aber: Erhöhte CO-Emissionen Stabilitätsproblem: Magere Verlöschgrenze Stabilitätsproblem: Thermoakustische Schwingungen Emission [w.e.] NOx CO Potential der E-Feld kontrollierten Verbrennung? 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Luftzahl

4 Motivation Wechselwirkung elektrischer Felder mit Flammen Chemo-Ionisation in der Reaktionszone: CH + O HCO + + e - Beschleunigung der Ionen im E-Feld Impulsübertrag auf das Neutralgas Änderung des Strömungsfeldes je nach Geometrie und Spannung

5 Motivation Mager-Verbrennung für low-no X Verbrennung in Gasturbinen aber: Erhöhte CO-Emissionen Stabilitätsproblem: Magere Verlöschgrenze Stabilitätsproblem: Thermoakustische Schwingungen Emission [w.e.] NOx CO Potential der E-Feld kontrollierten Verbrennung Stabilisierung / Emissionsminderung 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Luftzahl Unterdrückung von Brennkammer-Schwingungen durch periodische Steuerung? unter technisch relevanten Bedingungen (p, T, u, )

6 Hochdruckbrenner - Prüfstand Betriebsbereich: p = 1-11 bar P th bis 50 (75) kw Kühlwasser Keramik- Isolierkörper Spannungszuführung Wassergekühlte Ringelektrode Brennerkopf

7 Hochdruckbrenner - Prüfstand electrode burner head 40 mm Betriebsbereich: p = 1-11 bar P th bis 50 (75) kw premixed fuel 400 mm 7-Loch-Bunsenflamme im Hochdruckbrenner

8 Experimente Emissionsminderung normierte Emissionen [-] UHC CO Elektrodenspannung U el [kv] Konventionelle Abgasanalyse CO und C X H Y können durch ein angelegtes E-Feld stark reduziert werden

9 Experimente Emissionsminderung ohne E-Feld mit E-Feld CO UHC Anode bis 30 kv Ionenwind 0 kv Magere Flammen neigen zum Abheben bei hohen Austrittsgeschwindigkeiten. CO und C X H Y können durch abgehobene Flamme austreten. Das E-Feld verändert das Strömungsfeld so dass der Spalt zwischen Flamme und Brenner wieder geschlossen wird.

Experimente Elektrodenposition -35 0 35 Elektrodenposition [mm] Benötigte Spannung um CO-Emissionen

10 Experimente Elektrodenposition Elektrodenposition [mm] Benötigte Spannung um CO-Emissionen auf 30% zu verringern Die Elektrodenposition hat starken Einfluss auf die Effizienz der Einkopplung.

11 Experimente CO-Emissionen: Druckeinfluss Normierte Konzentration [ - ] 1 0,5 0 p = 2 bar p = 4 bar p = 6 bar p = 8 bar p = 10 bar U/p [kv/bar] CO-Konzentration normiert auf U = 0 kv Wert CO-Emissionen sinken stark mit steigender Spannung. CO-Abnahme skaliert mit U/p; Effekt auch noch bei 10 bar wirksam. Gleiches Verhalten ist bei den UHC zu beobachten.

12 Experimente NO X -Emissionen: Druckeinfluss 1,5 Normierte Konzentration [ - ] 1 0,5 0 p = 2 bar p = 6 bar p = 8 bar p = 10 bar U/p [kv/bar] NO X -Konzentration normiert auf den Wert bei U = 0 NO X -Emissionen steigen leicht bei Erhöhung der Spannung skalieren wie bei CO mit U/p

13 Experimente Stabilität: Lean blow-off limit Erhöhung des Blow -Off - Limits [-] 10% 0% Elektrodenspannung U el [kv] Das elektrische Feld erhöht die magere Verlöschgrenze. Die früher beobachteten erhöhten NO X Emissionen können so ausgeglichen werden.

14 Experimente Energieaufwand Pel/ Pth [%] 0,1 p = 2 bar p = 4 bar p = 6 bar p = 8 bar p = 10 bar Optimierung Verringerung der CO Emissionen [%] Nahezu keine Druckabhängigkeit Die benötigte elektrische Leistung beträgt weniger als 0,1% der thermischen Leistung.

15 Experimente Periodische Steuerung normierte CO-Emissionen [-] Frequenz f [Hz] u = 6 m/s λ = 1,1 p = 4 bar Anregung der Flamme durch gepulstes E-Feld (Rechteckpulse) Variierende Anregungsfrequenz Reaktion der Flamme bis etwa 100 Hz

16 Experimente Modellflamme: Periodische Steuerung u = 6 m/s λ = 1,1 p = 4 bar Laser-Rayleigh-Thermometrie Anregung der Flamme durch gepulstes E-Feld (Rechteckpulse) Anregungsfrequenz 100 Hz

17 Zusammenfassung & Ausblick Wirkung elektrischer Felder auf Hochdruckflammen : Elektrische Felder bieten die Möglichkeit zur Erhöhung der Flammenstabilität Emissionsminderung periodischen Steuerung Technisch relevante Bedingungen Druck bis 10 bar Vorheizung bis 500 K Austrittsgeschwindigkeiten bis 25 m/s Ausblick Kapazitive Einkopplung Drallflammen Thermoakustische Schwingungen

18 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Die Autoren danken dem Freistatt Bayern, der Bayerischen Forschungsstiftung (BFS) und der Siemens AG für die finanzielle Unterstützung der Arbeiten im Rahmen der Forschungsinitiative Kraftwerke des 21. Jahrhunderts (KW 21) Dipl.-Ing. Micha Löffler ERCOFTAC Technologietag Stuttgart

Ähnliche Dokumente

Skalierung von Gasturbinenbrennkammern

Skalierung von Gasturbinenbrennkammern Antrittsvorlesung Prof. Dr.-Ing. Nikolaos Zarzalis Engler-Bunte-Institut/Verbrennungstechnik Universität Karlsruhe (TH) Prof. Dr.-Ing. N. Zarzalis Gliederung: 1.