Verbrennungsprozesse. Quelle: Kugeler, Energietechnik. Fakultät für Ingenieurwissenschaften Energietechnik. KJ mol. KJ mol. KJ mol.

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1 Verbrennungsprozesse usgehend von desem enfchen Blnzmodell können nhnd der stöchometrschen Umsetzungen der enzelnen Komponenten enes Brennstoffs m Verbrennungsprozess Stoffblnzen erstellt werden, lso z.b. de notwendgen Brennstoffmengen, Luftmengen, de uftretenden bgsmengen sowe de bgszusmmensetzung bestmmt werden. Des Weteren knn über de Energeblnz ene ussge über de uftretenden Wärmeverluste und Nutzwärmebgbe getroffen werden. De wchtgsten Rektonen snd: C O CO, H 393,5 KJ mol H O H O, H 85,9 KJ mol S O SO, H 70 KJ mol Quelle: Kugeler, c n H m m m n O n CO H O 4 Kptel 4 Verbrennungsrechnung Vorlesung EV SeteFole

2 Kenngrößen zur energetschen Blnzerung des Verbrennungsprozesses Rektonsenthlpe R De Rektonsenthlpe H st de Dfferenz der Enthlpen der Edukte und der Rektonsprodukte be glechem Druck und glecher empertur vor und nch der Rekton (E P = R H = f (,p)). H ' k ' H E P H '' l k '' '' ' ' ' '', p H, p H j Chemsche Rekton n enem sttonären offenem System j H ' H '' l '' H j j Hez- und Brennwert (DIN 5499) Der spezfsche Hez- oder Brennwert st de negtve, uf de Msse (bzw. ds Volumen) bezogene Rektonsenthlpe m Stndrdzustnd der vollständgen Verbrennung mt chemsch ncht gebundenem Suerstoff. Zu unterscheden snd her der spezfsche Brennwert H o (uch oberer Hezwert gennnt, neuerdngs mt H s bezechnet) mt Rückgewnnung der Kondenstonswärme des be der Verbrennung gebldeten Wsserdmpfs und der n der Verbrennungstechnk und üblche spezfsche Hezwert H u (uch unterer Hezwert, neuerdngs mt H bezechnet) ohne dese Kondenstonswärme. E P H o/u R H m B R h m m B Unterer Hezwert von festen und Unterer Hezwert von flüssgen Brennstoffen (h v,f =.44 kj/kg) gsförmgen Brennstoffen (h v,g =.990 kj/m 3 ) H H h w u o v,f HO H H h u, n o v,g HO Her snd h v, de Verdmpfungsenthlpe von Wsser m Stndrdzustnd, w HO und HO der Mssenntel bzw. der Volumenntel des nfllenden flüssgen Wssers. Vorlesung EV Sete 3

3 Verbrennungsrechnung m Bespel Methn MU: H: CH 4 + O CO + H O C: O: 6 De benötgte Suerstoffmenge knn berechnet werden: Mol CH 4 verbrennt mt Mol Suerstoff 6 g Methn verbrennen mt 64 g Suerstoff De entstehende Ruchgsmenge und Zusmmensetzung knn berechnet werden: Es entstehen 3 Mol Produktgse, entsprechend 80 g, dvon 44 g CO Ideles Verhlten der Gse vorusgesetzt (Luft = % O und 79% N ): m³ Methn verbrennt mt m² Suerstoff bzw. mt 9,5 m³ Luft kg Methn verbrennt mt 4 kg Suerstoff bzw. 7, kg Luft Es entstehen 0,5 m³ oder 8, kg Produktgse, dvon,75 kg CO Vorlesung EV Sete 4

4 spekte be Verbrennungsvorgängen - usrechende Luftmenge (Suerstoff) - Brennrumdmensonerung - Brennstoffufberetung - Enstellen der Zündtempertur - bgsbfuhr - Rektonsgeschwndgket (Knetk) Verbrennungstempertur und dbte Verbrennungstempertur Bestmmung der dbten Verbrennungstempertur mt Hlfe der Energeblnz n enem verlustlosen Verbrennungsprozess (ohne Vorwärmung des Brennstoffs), temperturunbhänggem H U und U = 0 C - U ) m B H u m B c p B ( B U ) m BLcp ( L U) m BVcp ( R U) L R Im enfchsten Fll ohne Luft- und Brennstoffvorwärmung glt für de Ruchgstempertur R de Bezehung: Ist = und dmt V = V mn, ergbt sch de theoretsche dbte Verbrennungstempertur V : R V H Vc u p R HU V c mn p R U U (dbt) (mxml) kj/m 3 Vorlesung EV Sete 5

5 Rektonsenthlpe von Energeträgern Gbbs sche Fundmentlglechung: G = H - S Je nch Vorzechen der Rektonsentrope knn ggf. nur en el der Rektonsenthlpe sttt nur n Wärme uch n rbet umgewndelt werden mt = / R H Rekton C + O CO mx G R G R 98 R H98 kj / Mol Mol -394,4-393,5 mx kj / [%] 06 CH 4 + O CO + H O fl -878,8-965,3 9 H +O H O fl -37,8-85,9 83 Vorlesung EV Sete 6

6 Rele Bedngungen be der Verbrennung Zur vollständgen Verbrennung wrd en Überschuss n Luft engesetzt, λ > Be hohen emperturen wrd n ener unerwünschten Nebenrekton Luftstckstoff zu Stckoxden umgesetzt (ggf. st ene Entstckung des Ruchgses erforderlch) Fossle Energeträger snd kene Renstoffe, verbrennen häufg unter Bldung von festen Rückständen (Schlcken, sche, bschedung von Prtkeln us dem Ruchgs) Der Schwefelgehlt fossler Brennstoffe führt zu SO - Bldung (Ruchgswäsche) Optmle Vermschung von Brennstoff und Luft st wchtg für vollständge Verbrennung (Gs Öl Kohle) Blder: NO-Glechgewchtskonzentrton nch Renz, Strömungspfde m Vormschrum enes Brenners, Smulton ZB Vorlesung EV Sete 7

7 Hezöl EL (extr lecht) Referenzzusmmensetzung c. C 9 H Gew.-% C, 3.4 Gew.-% H, 0. Gew.-% S, N und O Dchte 0,86 kg/l Nch DIN 5603: Hu = 5,9,93 ρ 5 9γS (MJ/kg) = 5,9 0,86*,93 = 4,66 MJ/kg Schweröl Rückstnd verschedener Rffnereprozesse, schwrzes, hochvskoses Öl Krftstoff für Schffsdesel, drf nur uf hoher See verwendet werden, 84 Gew.-% C, Gew.-% H c. Gew.-% S, Dchte 0,97 kg/m³, Hu =40 MJ/kg Hezwert n MJ/kg C C C3 C4 C5 C6 Zhl der Kohlenstofftome Vorlesung EV Sete 9

8 Energebedrf ener Rffnere DU = tmosphärsche Destllton VDU = Vkuumdestllton Dverse Crckprozess Hydrotretng: Npht (N) Mtteldestllte (MD) Gsöl (GO) Negtve Werte für Dmpf: nfllender Kohlenstoff wrd genutzt Strom: 4 % Dmpf: 6% Rest: ufhezen von Stoffströmen D Reschke Vorlesung EV Sete 0

9 En Bespel für de erzeugten Produkte ener typschen Rffnere D Reschke Vorlesung EV Sete

10 Dmpferzeugung/ Erwärmung von Stoffströmen (Quelle: D Reschke) Vorlesung EV Sete

11 Grundlgen der Wärmeübertrgung Snd n ncht vonennder solerten verschedenen Körpern oder nnerhlb verschedener Bereche deser Körper emperturunterschede vorhnden, so werden de emperturen n den Körpern ngeglchen. Des gescheht ddurch, dss Wärme von den Berechen höherer zu denen teferer empertur fleßt. Deser Vorgng wrd ls Wärmeübertrgung bezechnet. Es werden folgende Fälle der Wärmeübertrgungsmechnsmen unterscheden, wobe n der Reltät oft lle dre Mechnsmen glechzetg wrksm snd: Wärmeübertrgung durch Letung n festen, unbewegt flüssgen oder gsförmgen Körpern erfolgt der Wärmetrnsport durch Übertrgung der knetschen Energe der Moleküle uf de Nchbrmoleküle Wärmeübertrgung durch Konvekton Wärmetrnsport durch Mtführen oder Konvekton durch bewegte flüssge oder gsförmge Körper Wärmeübertrgung durch Strhlung Wärmetrnsport ohne mterelle räger durch elektromgnetsche Strhlung Vorlesung EV Sete 3

12 Sttonäre Wärmeletung durch ene ebene Wnd Werden de beden Oberflächen ener ebenen Wnd der Dcke uf den emperturen und gehlten, so strömt durch de Fläche n der Zet t de Wärme Q nch dem Fourerschen Gesetz. Drn st en Stoffwert n W/(K m), de Wärmeletfähgket. Ds Mnuszechen verdeutlcht dbe, dss de Wärme n Rchtung bnehmender empertur fleßt. Q Q Wärmestrom t Q d Q dx t und d q dx q Wärmeletfähgket enger usgewählter Stoffe be 0 C und br R W Q t Wärmestrom dchte Wärmeletw derstnd Vorlesung EV Sete 4

13 Wämetuscher technsche usführung Rohrbündel Plttenwärmetuscher Dmpferzeuger Blder: Wlhelm Deller, Industreservce Vhngen, erhoeven GmbH Vorlesung EV Sete 5

14 Vorlesung EV Sete 6 Sttonäre Wärmeletung durch ene Rohrwnd Nch dem Fourerschen Gesetz wrd durch ene Zylnderfläche vom Rdus r und der Länge l der folgende Wärmestrom übertrgen: Be sttonärer Wärmeletung glt für lle Rden so dss mn durch rennung der Vrblen und r von r mt bs n de Stelle r mt ntegreren knn Der Wärmestrom n enem Rohr der Länge l mt der Rohrwnddcke r r st dmt st. Be der rdlen Wärmeletung wrd mmer uf de mttlere Fläche m bezogen. l r l r r r Q r r l Q r r l Q const Q r l r Q m m und wenn, ) / ln( und mt, ) / ln( ) / ln(. d d

15 Wärmeübergng und Wärmedurchgng Wrd von enem Flud n ene Wnd Wärme übertrgen, drn fortgeletet und n der nderen Sete n en neues Flud bgegeben, so wrd dese Hnterennderschltung von zwe Wärmeübergängen und enem Wärmeletvorgng Wärmedurchgng gennnt. Wärmedurchgng durch ene ebene Wnd Unterstellt mn, dss n den Grenzschchten und ds Flud ruht, lso de Wärme her geletet wrd, glt nch Fourer z.b. für den n der lnken Sete übertrgenen Wärmestrom, wobe de Wärmeletfähgket des Fludes st Q Vorlesung EV Sete 7

16 D de Grenzschchtdcke von ener Velzhl von Fktoren bhängt (z.b. Geschwndgket des Fludes), ht es sch ls snnvoll erwesen, mt dem Quotenten = / zu rbeten, des führt zum Newtonschen nstz für den Wärmeübergng: Q ( 0 ), f mt dem Wärmeübergngskoeffzenten Her bedeuten llgemen f de Fludtempertur und 0 de Oberflächentempertur. Des glt lso dnn weder uf beden Seten. Größenordnungen von Wärmeübergngskoeffzenten mt der Enhet W/m K Free Konvekton n Erzwungene Konvekton n Gsen Gsen Wsser Flüssgketen Sedendem Wsser Wsser Kondenserendem Dmpf Vorlesung EV Sete 8

17 Vorlesung EV Sete 9 Wärmedurchgng durch ebene Wände Für ene ebene Wnd st der durchtretende Wärmestrom Mt dem Gesmtwärmewderstnd wobe k der Wärmedurchgngskoeffzent n W/m K st. Besteht de Wnd us mehreren homogenen Schchten mt den Dcken j, so glt für den Wärmewderstnd Zhlenbespel (Kühlhus mt = -5 C, = 5 C, Zhlen bezogen uf ene Fläche von m ) Wnd enes Kühlhuses (Beton, Putz) s = 5 cm, = W/mK Korkstensolerung s = 0 cm, = 0,04 W/mK Äußere Zegelmuer s = 50 cm, = 0,75 W/mK Wärmeübergngskoeffzenten = 7 W/m K, = 0 W/m K ( ) k Q k R R k j j W K / j j 8,8 W/m 8,8 W pro m, 3,4K/W, q Q k

18 Vorlesung EV Sete 4 de ußenfläche des Rohres : Bezug uf be Es glt ln mt ln ln e p V u u e u u e k c m Q c p m Wärmeblnz n enem durchströmten Rohr, e > u u /s e Flud w, w, ) ( w, w,w,w k Q Q s Q Q : glt ebenso und ln mt / ) ( ( - ) k m m d d d d d k ln

19 Wärmeübertrgung durch Strhlung hermsche Strhlung besteht us enem Spektrum elektromgnetscher Wellen von 0,76 bs 360 m und unterschedet sch vom schtbren Lcht durch de Wellenlänge. Es glt r + d + =, r = st en deler Spegel, d = st en dthermer Körper (z.b. O und N ), = st en schwrzer Körper. Stefn-Boltzmnn-Gesetz De emperturstrhlung enes Körpers st mxml für enen schwrzen Körper, de Gesmtstrhlung wrd E S 4 (Emsson), mt = 5, W/m K 4 ls dem Strhlungskoeffzenten. Bedeutet n de Normlenrchtung, so glt für schwrze Strhler ds Lmbertsche Cosnusgesetz ( = Wnkel gegen de Normle) mt E E n cos Strhlung reler Körper wecht llerdngs mestens von desen delen Verhältnssen und Glechungen b. Vorlesung EV Sete 5

20 Vorlesung EV Sete 6

21 Wärmeübertrgung durch Strhlung Krchhoffsches Gesetz Rele Körper emtteren wenger ls schwrze Strhler, her glt dnn E E S 4 mt wobe de m llgemenen von der empertur bhängge Emssonszhl st. In begrenzten emperturberechen lssen sch vele technsche (llerdngs kene blnken) Oberflächen ls grue Strhler nsehen. De Energe st dnn we be enem schwrzen Strhler uf vertelt. Nch dem Krchhoffschen Gesetz glt sttonär m thermschen Glechgewcht =. Vorlesung EV Sete 7

22 Wärmeustusch durch Strhlung Zwschen zwe m Verglech zu hrem bstnd sehr großen Flächen der Größe mt den emperturen und wrd durch Strhlung der Wärmestrom 4 Q ( 4 ) usgetuscht. Grue Strhler tuschen enen Wärmestrom Q C ( 4 4 ), mt der Strhlungsustuschzhl C ( ) Zwschen zwe belebg m Rum ngeordneten Flächen mt den emperturen und und den Emssons-zhlen und wrd be Vernchlässgung der reflekterten Strhlung en Wärmestrom 4 Q e ( usgetuscht, wobe e de von der Geometre bhängge Enstrhlzhl st. 4 Vorlesung EV Sete 8 )

23 Wärmeübertrgung zur Dmpferzeugung Feuerungsrum: Wärmeübertrgung durch Strhlung und Konvekton der heßen Ruchgse Dmpfkresluf: Wärmeübertrgung uf strömendes Wsser, verdmpfendes Wsser und überhtzen des Dmpfes Sehr komplexe Verhältnsse hben zur Entwcklung von Softwre geführt, de z.b. spezell für de uslegung von Kesseln für den Krftwerksbu geführt hben, es gehen Erfhrungswerte für Stoff- und Oberflächenegenschften und deren Veränderungen über de Betrebsduer en Überhtzen 80 3% 39% 70 ntel [%] % Verdmpfung 34% % Vorwärmung Druck [br] F. Brndt, Dmpferzeuger FDBR-Fchbuchrehe Bnd 3, Vulkn-Verlg, Essen, 999 7% Vorlesung EV Sete 9

24 Energentensve Prozesse n ener Rffnere (Quelle: D Reschke) Prozess usführung Erhtzer Wärmebedrf [kj/l] empertur m usgng [ C] Destllton tmosphärsch Vkuum Vorwärmer, Verdmpfer hermsche Prozesse herm. Crcken Verkoken Vsbrekng Befeuerter Rektor Vorwärmer befeuerter Rektor Ktlytsches Crcken Vorwärmer Entschwefelung Vorwärmer Reformeren Vorwärmer 790 Vorlesung EV Sete 30

25 Brennstoffe zur Energeversorgung ener Rffnere D Reschke Vorlesung EV Sete 3

26 usführung von Kesselnlgen Stegrohre Fllrohre Verdmpfer Überhtzer Überhtzer Überhtzer Nturumluf Zwngumluf Zwngdurchluf F. Brndt, Dmpferzeuger FDBR-Fchbuchrehe Bnd 3, Vulkn-Verlg, Essen, 999 Vorlesung EV Sete 3

27 Kesseltypen Nturumluf: Dchteunterschede zwschen Wsser/Dmpf-Gemsch m Stegrohr und n Fllrohr, btrennung des Dmpfes n ener Dmpftrommel, gute ellstfähgket, enfche Regelung, Ensprtzkühlung zur Regelung der Überhtzertempertur Zwngumluf: Pumpe für Wsserumluf, belebge Gestltung der Rohrführung, gut geegnet für de Nchrüstung, dher häufg ls bhtzekessel und Prozessdmpferzeugung, Ensprtzkühlung zur Regelung der Überhtzertempertur Zwngdurchlufkessel: kene Dmpftrommel, kene Ensprtzkühlung erforderlch, Problem der stblen Strömung m Verdmpfungsberech, Lösungen für überkrtschen und unterkrtschen Betreb (Benson, Sulzer) Vorlesung EV Sete 33

28 usführung von Kesselnlgen Spesewsserentrtt Economser 3 Dmpftrommel 4 Verdmpfer 5 Verteler 6 sche 7 Kohle und Verbrennungsluft 8 Überhtzer 9 Frschdmpfustrtt 0 bgs Umwälzpumpe Wsserbschedung : Nturumlufkessel b: Zwngsumlufkessel c: Zwngsdurchlufkessel (Prnzp Benson) d: Zwngsdurchlufkessel (Prnzp Sulzer) Vorlesung EV Sete 34

29 Buformen von Erhtzern Übertrgene Wärme c. 70% m Strhlungsberech, gesmt c. 90% Fnnen nur be Verwendung suberer Brennstoffe, Isolerung, Rußbldung, Rußbläser be Schweröl ls Brennstoff Vorlesung EV Sete 35

30 Brenner Brennstoff Luftüberschuss Erhtzer mt Nturzug Gs 5 0 % Lechtes Hezöl 0 5 % Schweröl 5 30 % Erhtzer mt Gebläse Gs 0 5 % Lechtes Hezöl 5 0 % Schweröl 0 5 % Vorlesung EV Sete 36

31 Brenner für Betreb mt Schweröl und Gs Vorlesung EV Sete 37

32 Industrebrenner für Öl und Gs Subere Verbrennung durch ene Prmärdüse und konzentrsch ngeordnete Sekundärdüsen. Quelle: Weshupt Vorlesung EV Sete 38

33 Kohlenstubbrenner (Drllschebenbrenner) ufbu: Kernluftrohr ncl. Zündbrenner Stubdüse mt Drllenrchtung, mechnschem Flmmenhlter und Luftbweskehle Sekundärluftdüse mt Drllenrchtung und Luftbweskehle ertärluftdüse mt Drllenrchtung Hghlghts: Hohe Brennstoffflexbltät für nthrzt, Sten- und Hrtbrunkohlen mt flüchtgen ntelen von 5,9-54,5 % Nedrgste NOx-Emssonen durch CFD-optmerte Fluddynmk m Brennernhfeld Quelle: Htch Vorlesung EV Sete 39