AiF-Forschungsvorhabens Nr. 80ZN Spektral

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3 AiF-Forschungsvorhabens Nr. 80ZN Spektral Verbesserung des Wärmeeintrags in die Glasschmelze unter Ausnutzung der spektralen Wärmestrahlung durch gezielte Brennereinstellungen zur Steigerung der Glasqualität Abschlussbericht B. Fleischmann, J. Bauer, P. Baumann HVG, Offenbach am Main A. Scherello, A. Giese, M. Kösters Gaswärme-Institut e. V., Essen Mai 2005

4 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Inhalt Inhalt... 2 Formelzeichen Einführung Spektralradiometer Messgerät, Messaufbau Kalibrierung der Messeinheit Prinzipielle Vorgehensweise Erste praktische Erfahrungen Thermodynamische Betrachtungen Endgültige Vorgehensweise zur Ermittlung der Transferfunktion Ergebnisse von Messungen mit dem Spektralradiometer Vorgehensweise zur Ermittlung des Anteils der Flamme an der Wärmestrahlung im Oberofen von Glasschmelzwannen Ergebnisse von Messungen an industriellen Glasschmelzwannen Ergebnisse bei Messungen am GWI-Versuchsofen Interpretation der Emissionsspektren von Flammen Untersuchung des Strahlungsverhaltens von Gas-Luft-Flammen durch das GWI sowie Umsetzung der Ergebnisse am GWI Versuchsofen Experimentelle Untersuchungen Numerische Untersuchungen Vorgehensweise Erste numerische Untersuchungen zum Wärmeübertragungsverhalten von Flammen in Glasschmelzwannen Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Verlagerung der Rußbildung Ergänzende Tests am GWI-Hochtemperaturofen Übertragung auf Glasschmelzwannen Bestimmung der optischen Eigenschaften der Glasschmelzen Einfluss der optischen Eigenschaften der feuerfesten Materialien auf den Energieaustausch in der Glasschmelzwanne

5 HVG - GWI 6. Simulationsrechnung des Wärmeübergangs an einer industriellen Glasschmelzanlage Umsetzung der Ergebnisse an industriellen Glasschmelzaggregaten Erfassung des Ist-Zustandes an der Weißglaswanne A Umsetzung der Versuche zur Verbesserung des direkten Wärmeeintrages in das Glasbad an der Weißglaswanne A Unterschiessen Sekundärgas Zusammenfassung der Messergebnisse und Diskussion Zusammenfassung Veröffentlichungsliste Veröffentlichungen Vorträge

6 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Formelzeichen K M r SStr(T) t Reflexionsfaktor Spektrale spezifische Ausstrahlung in kw/(m 2 µm) Refektionsvermögen Hohlraumstrahlung eines Temperaturstrahlers bei Temperatur T Transmissionsvermögen T Temperatur in C V w α β ε λ Brennstoffmenge in Vol.% Brennstoffgeschwindigkeit im m/s Einstellwinkel der Brennerlanze vertikal Einstellwinkel der Brennerlanze horizontal Emissionsgrad, Emissionsvermögen eines Grauen Strahlers Luftzahl, Oxidationsverhältnis tief gestellte Indizes AZS Eigenschaft der schmelzgegossenen Steine eff effektiv FL Eigenschaft der Flamme - 4 -

7 HVG - GWI 1. Einführung Im abgeschlossenen AiF-Forschungsvorhaben wurde an U-Flammenwannen das System Oberofen (Flamme, Gewölbe, Abgas) und Glasschmelze bzw. Gemenge auf seine spektralen, d. h. wellenlängenabhängigen Eigenschaften der Emission und Absorption bzw. Transmission untersucht. Es sollen vorhandene Brenner genutzt und optimiert bzw. so verändert werden, dass der Emissionsgrad der Flamme so eingestellt wird, dass am Quellpunkt der direkte Wärmeübergang von der Flamme in das Glasbad erhöht wird. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass eine partiell rußende Flamme erzeugt wird, die Rußzone mit ihrem effektiver strahlenden Partikeln lokal verschoben und über dem Quellpunkt positioniert wird. Eine weitere denkbare Möglichkeit besteht darin, eine verzögerte Verbrennung zu erzeugen, so dass die Flammentemperatur über die gesamte Länge vergleichmäßigt wird. Ziel all dieser denkbaren Maßnahmen ist es, die Temperatur am Quellpunkt auch in die Tiefe des Glasbades zu erhöhen, um die Qualität und damit die Ausbeute zu verbessern. Die Grundidee des Forschungsvorhabens wird durch die Bilder 1 und 2 verdeutlicht, wobei Bild 1 den Einfluss des Emissionsvermögens und der Temperatur auf die spektrale spezifische Ausstrahlung zeigt. In Bild 1 ist zu erkennen, dass eine Flamme mit einer niedrigeren Temperatur und einem erhöhten Emissionsvermögen im Vergleich zu einer Flamme mit einer etwas höheren Temperatur aber niedrigerem Emissionsgrad zu einer größeren Gesamtstrahlung führt. Dies wurde im abgeschlossenen Forschungsvorhaben genutzt, um durch lokale Änderungen des Emissionsvermögens in der Flamme den direkten Wärmeeintrag in das Glasbad zu steuern bzw. zu verbessern. Die Bilder 2a und b verdeutlichen das prinzipielle Wechselspiel der einzelnen Wärmetransportmechanismen sowie der einzelnen wärmeemittierenden Partner, wobei Bild 2b diejenigen Wärmeströme wiedergibt, die im Forschungsvorhaben Spektral genauer untersucht und in ihrer Größe verändert werden sollen. Die HVG erwarb ein Spektralradiometer, mit dem Emissionsspektren von 0,3 bis 5,5 µm gemessen werden. Dieses Meßgerät soll zur detaillierten Beurteilung der Wärmeübertragung von Flammen dienen bzw. soll zur Messung der Strahlungseigen

8 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL schaften der Flamme, des feuerfesten Materials im Oberofen und der Glasschmelze genutzt werden. Bild 1: Einfluss des Emissionsvermögens auf die Strahlungsintensität Luft Erdgas Transmission Gemenge Absorption & Leitung Glasbad Absorption & Leitung Schaum Bild 2a: prinzipielles Wechselspiel der verschiedenen Wärmetransportmechanismen in einer Glasschmelzwanne - 6 -

9 HVG - GWI Luft Erdgas Transmission Gemenge Glasbad Absorption & Leitung Schaum Bild 2b: Isolierte Darstellung der Teilwärmeströme, denen im Forschungsvorhaben Spektral verstärkt Aufmerksamkeit entgegengebracht wird bzw. deren Anteil am Energieeintrag in die Glasschmelze erhöht werden soll 2. Spektralradiometer 2.1. Messgerät, Messaufbau Um Messungen der spektralen Gesamtstrahlung im Oberofen von Glasschmelzwannen zu ermöglichen, musste das Spektralradiometer der Firma Gigahertz mit einer entsprechenden Optik, einem Kühler und einer Schutzeinrichtung versehen werden, die verhindert, dass Abgase in das empfindliche Detektorsystem eindringen und dieses verschmutzen. Dazu wurde die Optik aus einem bestehenden Kühler der HVG, der für Periskopaufnahmen in Glasschmelzwannen genutzt wird, entfernt und durch eine Blendenstrecke mit definiertem Blickwinkel und einem Schutz- Glas aus Saphir versehen. Daran wird das Spektralradiometer, bestehend aus Chopper, Monochromator und drei Detektoren angeflanscht. Das Messgerät besitzt drei Detektoren, um die verschiedenen Spektralbereiche von 300 nm bis 5,5 µm erfassen zu können. Bild 3a zeigt den prinzipiellen Messaufbau und Bild 3b eine Fotografie der Messvorrichtung. Um Messungen an Glasschmelzwannen durchführen zu können, muss für eine entsprechende Kühlung der Messeinheit gesorgt werden, so dass gewährleistet ist, dass die Detektoren während der Messung keinen zu großen Temperaturschwan

10 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL kungen unterliegen und die elektronischen Bauteile der Messapparatur durch die erhöhten Temperaturen nicht zerstört werden. Bild 4 zeigt das Spektralradiometer bei einer Messung an einer Glasschmelzwanne, wobei neben dem Spektrometer, das in eine Wärmeschutzdecke eingehüllt wird, auch eine Stickstoffversorgung zur Spülung des gesamten Systems zu sehen ist (Näheres im Kapitel Kalibrierung) sowie die Schutzkisten, in denen die Elektronik und ein Rechner untergebracht sind. Detektoren Chopper "Optik" Blendenstrecke Monochromator a) b) Bild 3: Spektralradiometer mit Periskopkühler der HVG. a) prinzipieller Messaufbau; b) Messaufbau vor der Anbringung der Kühlung - 8 -

11 HVG - GWI Bild 4: Spektrometer bei einer Messung an einer Glasschmelzwanne mit Stickstoffspülung des optischen Weges sowie vor Wärmestrahlung geschützter Elektronik 2.2. Kalibrierung der Messeinheit Prinzipielle Vorgehensweise Das Spektralradiometer misst die einfallende Strahlung von 0,3 bis 5,5 µm. Um quantitative Messungen durchführen zu können, muss die Messeinheit an einer bekannten Strahlungsquelle kalibriert werden. Unter den gegebenen Bedingungen (Versuchsrandbedingungen, Optik, Messaufgabe) benötigt man dazu einen sog. Black Body Kalibrierofen. Dieser Kalibrierofen emittiert auf Grund seiner Eigenschaften an der Messöffnung eine Temperaturstrahlung, die dem eines Schwarzkörperhohlstrahlers sehr ähnlich (ε 1) und genau bekannt ist. Nach der Messung der Emissionsstrahlung des Black Body Kalibrierofen lässt sich eine sog. Transferfunktion ermitteln, welche die Umrechnung der Messdaten (Dimension: na) in die Rechengröße Spektrale spezifische Ausstrahlung (Dimension: kw/(m 2 µm)) ermöglicht. Die durch die Kalibrierung gewonnene Transferfunktion kann nur solange verwendet werden, wie am Strahlengang nichts verändert wird. Dies beinhaltet folgende Gerä

12 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL tekomponenten, deren Einstellungen nicht mehr verändert werden dürfen bzw. reproduzierbar einstellbar sein müssen: Blendendurchmesser der Narrow-Angle-Optik Saphirscheibe (vor allem Dicke) Spaltbreite des ersten Spaltes Filter- und Gitterwechsel im Monochromator Spaltbreite des 2. Spaltes Detektorwechsel Gasart im Strahlengang Für jede Änderung der genannten Parameter und weitere Änderungen im Strahlengang muss eine eigene Transferfunktion ermittelt werden. Dies kann auch nach einer Messung geschehen, um die Messdaten, die unter den geänderten und bekannten Bedingungen aufgenommen wurden, auszuwerten Erste praktische Erfahrungen Bild 5 zeigt den benutzten Kalibrierofen, den das GWI für die Kalibrierung zur Verfügung stellt. Die maximale Betriebstemperatur des Ofens beträgt 1500 C, die Messöffnung hat einen Durchmesser von 60 mm und die Auskleidung des Hohlkörpers besteht aus Si-infiltriertem SiC. Der effektive Emissionsgrad beträgt 0,994. Bei der ersten Kalibrierung zeigten sich Absorptionsbanden bei der Messung des Hohlkörperstrahlers, die auf Gasspezies zurückzuführen sind (Bild 6), die am deutlichsten zwischen 2,5 µm und 2,75 µm sowie bei ca. 4,25 µm Absorption zeigen. Diese Absorptionsbanden wurden fürs Erste den Gasen CO, CO 2 und H 2 O in der Atmosphäre zugeordnet. Ein wichtiger Faktor für die Absorptionsstärke ist die Weglänge von ca. 4 5 m, die sich für den Strahlengang auf dem Weg durch die Optik im Periskopkühler und den Monochromator zum Empfänger ergibt. Da im Forschungsvorhaben jedoch vor allem die Verbrennung, d.h. die Verbrennungsprodukte H 2 O und CO 2 bzw. Verbrennungszwischenprodukte wie CO, mit dem Messgerät beobachtet werden sollen, sind ausgerechnet dieselben Gase zur Beurteilung der Verbrennung von Interesse

13 HVG - GWI a) b) Bild 5: Black Body Calibration Furnace für die Kalibrierung des Spektralradiometers (Eigentum des GWI). a) Aufbau des Kalibrierstrahlers; b) Frontansicht. Spektrale spezifische Austrahlung in kw/(m 2 µm) C, 1. Messung 900 C, 2. Messung 900 C, Schw. Str. ger Wellenlänge in nm Bild 6: Vergleich des Messergebnisses der ersten Kalibrierung mit dem gerechneten Schwarzen Strahler bei gegebener Temperatur. Aus diesem Grund wurde bei der zweiten Kalibrierung der gesamte optische Weg mit Stickstoff (Reinheit: 99,999%) gespült und auch die Kugel des Hohlraumstrahlers mit Stickstoff geflutet. Eine ständige Spülung des Hohlkörpers mit Stickstoff, der nur Raumtemperatur hatte, machte eine genaue Einstellung bzw. Regelung der Kalib

14 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL riertemperatur schwierig bis unmöglich. Eine effektive Erwärmung des Stickstoffes war mit einfachen Mitteln nicht zu erreichen. Bild 7 zeigt das Ergebnis dieser Kalibrierung bei den interessanten Wellenlängen von ca. 2,6 µm und 4,25 µm C, ohne N 2 -Spülung 1500 C, mit N 2 -Spülung * 1300 C, ohne N 2 -Spülung 1300 C, mit N 2 -Spülung * * Gitter- und Spiegelwechsel optimiert 1E C, ohne N 2 -Spülung 1500 C, mit N 2 -Spülung * 1300 C, ohne N 2 -Spülung 1300 C, mit N 2 -Spülung * * Gitter- und Spiegelwechsel optimiert Meßsignal 1E-4 Meßsignal 1E Wellenlänge in nm Wellenlänge in nm Bild 7: Vergleich des echten Messsignals (ohne Transferfunktion der Kalibrierung) der Emission eines Hohlköperstrahlers ohne und mit Stickstoffspülung des optischen Weges bei zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen und zwei verschiedenen Temperaturen. Es ist auf beiden Spektren des Bildes 7 zu erkennen, dass die Stickstoffspülung zwar zu einer Verminderung der Absorptionsbanden führt, diese jedoch noch immer vorhanden sind. Es ergab sich erneut die Frage, nach der Herkunft dieser Absorptionsbanden Thermodynamische Betrachtungen Thermodynamische Betrachtungen über mögliche Reaktionsprodukte des Werkstoffes des Hohlkörpers mit Luft führten zu den in der Tabelle 1 dargestellten Ergebnissen. Bei dieser Abschätzung wurde von reinem SiC und Luft (21 % O 2, 79 % N 2 ) bei entsprechend hoher Temperatur ausgegangen. Es ist jedoch zu bedenken, dass die Werkstoffe Siliciumnitrid und Siliciumcarbid unter oxidierenden Bedingungen durch eine sich selbstständig bildende Schutzschicht aus SiO 2 ihre Funktionstüchtigkeit erhalten. Dies ist bei der thermodynamischen Berechnung in soweit berücksichtigt, dass das Reaktionsprodukt SiO 2 in der Liste der Produkte vorhanden ist

15 HVG - GWI Tabelle 1: Thermodynamische Betrachtung zur Freisetzung von Kohlenoxiden aus SiC beim Kontakt mit Luft (21 Vol.% O 2, 79 Vol.% N 2 ) bei verschiedenen Temperaturen Temperatur in C CO in Vol.% CO 2 in Vol.% 900 0, , , , , ,0017 Einen weiteren Hinweis auf die mögliche Freisetzung von Kohlenoxiden aus SiC- Werkstoffen bei der Anwesenheit von Sauerstoff und Stickstoff gibt die Freie Reaktionsenthalpie der Reaktionen: Si + C SiC (1) 3 Si + 2 N 2 Si 3 N 4 (2). Bild 8 zeigt den Verlauf der Freien Reaktionsenthalpie der Reaktionen (1) und (2) bei unterschiedlichen Temperaturen. Die Berechnung der thermodynamischen Betrachtungen erfolgte mit den im Internet zur Verfügung gestellten Demonstrationsprogrammen von FACT und FACTSage TM des Center for Computational Thermochemistry der École Polytechnique de Montréal. Ein weiterer Hinweis auf die Ursache der CO- und CO 2 -Absorptionsbanden gibt die An- bzw. Abwesenheit von entsprechenden Absorptionsbanden des Wassers bei ca. 1,9 µm und ca. 2,1 µm. Bild 9 zeigt die Transferfunktion, die sich aus der Kalibrierung am Black Body Kalibrierofen ergibt, wobei sich Absorptionsbanden dadurch bemerkbar machen, dass der lineare Verlauf der Transferfunktion durch Berge unterbrochen wird. Bei der Betrachtung von Bild 9 fällt auf, dass die Absorptionsbanden des Wassers bei ca. 1,9 µm durch die Stickstoffkühlung vermindert werden, jedoch nicht vollständig verschwinden. Hier stellt sich dann wieder die Frage, ob das Wasser und die Kohlenoxide auf Luft im System (Hohklkugel wurde nicht vollständig durchflutet?) und/oder auf den Werkstoff des Hohlkörpers zurückzuführen sind. Die abrupten Wechsel der Transferfunktion sind durch Detektor-, Filter- oder Gitterwechsel bedingt. Die endgültige Aufklärung kann hier nur ein Versuch mit einem zweiten Black Body Kalibrierofen bringen, der einen anderen Werkstoff für den Strahlungshohlkörper verwendet

16 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Freie Reaktionsenthalpie der Reaktion 1 mol Si + y mol X <=> Si m X n mit X ist C bzw. N 2 Freie Reaktionsenthalpie G in kj/mol SiC Si 3 N Temperatur in C Bild 8: Freie Reaktionsenthalpie bei der Bildung von SiC und Si 3 N 4 aus den Elementen bei verschiedenen Temperaturen Transferfunktion ohne Stickstoffspülung mit Stickstoffspülung 1E Wellenlänge in nm Bild 9: Transferfunktion zur Verarbeitung der Messdaten zur spektralen spezifischen Ausstrahlung am Black Body Kalibrierofen mit und ohne Stickstoffspülung

17 HVG - GWI Messungen mit einem zweiten Black Body Kalibrierofen, dessen Hohlkörper aus einem hochtemperaturfesten Stahl bestand, ergaben, dass der Einfluss der Gase in der Atmosphäre auf die Transferfunktion durch die Spülung mit Stickstoff zwar vermindert, aber auch durch entsprechend hohe N 2 -Durchsätze nicht eliminiert werden kann. Hiermit war auch eindeutig belegt, dass der Werkstoff (SiC) des ersten Kalibrierstrahlers nicht für die Absorptionserscheinungen verantwortlich ist. 1E12 1E11 1E10 1E9 1E8 1E7 Faktor 1E6 1E Kalibrierfaktoren Transferfunktion W ellenlänge in nm Bild 10: Vergleich der Kalibrierfaktoren und der Transferfunktion mit einer Berücksichtigung der Absorption von Gasen aus der Atmosphäre im Strahlengang Endgültige Vorgehensweise zur Ermittlung der Transferfunktion Mit Hilfe einer entsprechenden Software (HITRAN) lassen sich die Wellenlängenbereiche, die durch die Absorption von Gasen in der Atmosphäre betroffen sind, ermitteln. In diesen Bereichen wird die Transferfunktion so geglättet, dass die im Strahlengang verursachte Absorption herausgerechnet wird. Da die Gehalte an CO und CO 2 in der Luft bekannt sind und die Luftfeuchtigkeit leicht messbar ist, kann mit Hilfe dieser korrigierten Transferfunktion nun die Umrechung der Messdaten in die gewünschte physikalische Größe erfolgen, wobei eine qualitative und zum Teil auch quantitative Auswertung der Absorption, auch der Gase die in der Atmosphäre enthalten sind, möglich ist. Bild 10 zeigt die Kalibrierfaktoren, welche die Absorption durch die Gase in der Atmosphäre noch direkt berücksichtigt, und die endgültige Transferfunktion. Bild 11 demonstriert nochmals auf anschauliche Weise die endgültige Vorgehensweise zur Umwandlung der Messdaten in eine auswertbare Größe, welche die Emission im Verbrennungsraum von Glasschmelzwannen beschreibt

18 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Messung + 1E10 1E9 Intensität in na 1 1E-1 1E-2 1E-3 1E-4 1E-5 1E-6 Faktor 1E8 1E7 1E6 1E Transferfunktion 1E Wellenlänge in nm Wellenlänge in nm Spektrale spezifische Ausstrahlung in kw/(m 2 µm) = Emission Wellenlänge in nm Bild 11: Endgültige Vorgehensweise zur Bestimmung der Emission im Oberofen von Glasschmelzwannen 2.3. Ergebnisse von Messungen mit dem Spektralradiometer Im Rahmen des abgeschlossenen Forschungsvorhabens wurden an 5 Glasschmelzwannen Messungen mit dem Spektralradiometer der HVG vorgenommen. Die Messungen an der Grünglasschmelzwanne A sind die Grundlage zur Beurteilung der Maßnahmen, die im Laufe des Forschungsvorhabens ermittelt wurden, um den direkten Wärmeeintrag in das Glasbad zu erhöhen. Die Messungen an der zweiten Wanne, in der Weißglas geschmolzen wird, sind aufgrund eines Defektes der Messanordnung nicht verwertbar. Diese Messungen wurden Zeit nachgeholt. Zusätzliche Messungen wurden an zwei weiteren Grünglas- und an einer weitere Weißglaswanne durchgeführt. Alle bisher untersuchten Glasschmelzwannen sind U-Flammenwannen, die mit Gas und dem Sauerstoffträger Luft befeuert werden Vorgehensweise zur Ermittlung des Anteils der Flamme an der Wärmestrahlung im Oberofen von Glasschmelzwannen Bei der Messung von Wärmestrahlungspektren im Oberofen von Glasschmelzwannen ist es nicht möglich, alle Wärmestrahlungsemittenten einzeln zu erfassen. Ohne Störung des Produktionsablaufes lassen sich nur zwei Emissionsspektra messen: die

19 HVG - GWI Strahlung im Oberofen während des Feuerwechsels (Flamme aus) mit Blick auf die gegenüberliegende Seitenwand und das Strahlungsspektrum des Oberofens mit Blick auf die Flamme (Flamme an). Aus diesen beiden Spektren kann mit der im folgenden kurz skizzierten Vorgehensweise das Strahlungsverhalten der Flamme ermittelt werden. Eine wichtige Voraussetzung hierfür ist die Kenntnis des Emissionsvermögens der feuerfesten Materialien als Funktion der Wellenlänge und der Temperatur. Entsprechende Materialdaten sind in der Literatur zu finden bzw. liegen dem GWI aus anderen Forschungsvorhaben vor. Grünglaswanne A Wand: Feuer aus nach Feuer rechts Spektrale spezifische Ausstrahlung in kw/(m 2 µm) Messung Stützpunkte Grauer Strahler Wände T Wände =1545 C, ε Wände = Wellenlänge in nm Bild 12: Spektrale spezifische Ausstrahlung im Oberofen einer Glasschmelzwanne bei abgeschalteter Brennstoffzufuhr (Feuerwechsel, Flamme aus) Bei der Messung der Emissionsstrahlung im Oberofen bei abgeschalteter Brennstoffzufuhr (Flamme aus) erhält man Messkurven (Bild 12), die hauptsächlich durch zwei Strahlungsteilnehmer geprägt sind. 1. Die Wärmeemissionsstrahlung der beiden Seitenwände des Ofens gibt eine Strahlung ab, die durch die Gesetze des Grauen Strahlers beschrieben werden kann

20 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL 2. Im Abgas enthaltene Gasspezies und Kondensationsprodukte sowie Staubpartikel führen zu Absorptionserscheinungen, die zu Abweichungen vom Verhalten des Grauen Strahlers führen. Berechnet man die spektrale spezifische Ausstrahlung eines Raumes mit zwei Seitenwänden unter Vernachlässigung der vier restlichen Flächen (die unter den gegebenen Umständen mit etwa 1 % ihrer Strahlungsemission effektiv zur Strahlung auf die beiden Wände beitragen), so erhält man bei Berücksichtigung des realen Emissionsvermögens der Wände als Funktion der Temperatur und Wellenlänge sowie der Mehrfachreflexion die in Fomel (3) beschriebene Gesetzmäßigkeit. Strahlung Feuer aus = SStr ( T1 ) ε1 + SStr( T2 ) ε 2 ( 1 ε1) 1 ( 1 ε ) ( 1 ε ) 1 2 SStr ( Tm ) ε eff (3) Das reale Verhalten von zwei Seitenwänden kann durch einen Grauen Strahler beschrieben werden, dessen Temperatur zwischen den Wandtemperaturen liegt und mit Hilfe eines effektiven Emissionsgrades ε eff definiert wird, der 1 ist (Formel (3)). Die Abweichung des effektiven Emissionsvermögens dieses Grauen Strahlers wird durch die Temperaturdifferenz der beiden Seitenwände bestimmt. Die reale Temperatur der Seitenwand ist von der Flammenlage abhängig, die sich in U- Flammenwannen alle Minuten auf Grund des Feuerwechsels ändert. Je größer der Temperaturunterschied zwischen der Wand mit direkter Feuerbeaufschlagung und der Wand, an der das heiße Abgas vorbei streicht ist, desto größer weicht der effektive Emissionsgrad von 1 ab. Es hat sich bei mehreren Messungen an industriellen Glasschmelzwannen und auch an GWI Laborofen gezeigt, dass das Strahlungsverhalten der untersuchten Verbrennungsräume ohne Flamme in erster Näherung durch einen Grauen Strahler mit einem effektiven Emissionsgrad und einer entsprechenden Temperatur beschrieben werden kann (Bild 12 und Formel (3)). Befindet sich zwischen diesen beiden Seitenwänden ein Medium (Flamme, Abgas) mit einer Temperatur größer oder gleich der Temperatur der Seitenwand und berücksichtigt man die Mehrfachreflexion der von diesem Medium ausgehenden Strahlung an den beiden Seitenwänden, so erhält man Gleichung (4) und (5). M = SStr ε + SStr ε K (4) Wände eff FL FL

21 mit K 2 ( 1 ε AZS ) + ( 1 ε AZS ) 1 ( 1 ε ) 2 HVG - GWI = 1+ (5) AZS Dabei wird davon ausgegangen, dass das Medium zwischen den beiden Wänden ebenfallls durch die Gesetze eines Grauen Strahlers beschrieben werden kann und keine nennenswerte Absorption zeigt. Dies beschreibt die Flamme bekanntermaßen nur in allererster Näherung. Die einzelnen Beiträge zur Gesamtstrahlung mit anwesender Flamme lassen sich so zusammenfassen, dass die Strahlung im Verbrennungsraum mit Flamme durch Gleichung (4) dargestellt werden kann. Die Strahlung setzt sich also zusammen aus einem Grauen Strahler, der den Beitrag der beiden Seitenwände beschreibt, und einem Grauen Strahler, der die Flamme und ihr Strahlungsverhalten beschreibt sowie einem Faktor, der durch das Emissionsvermögen der Seitenwandmaterialien als Funktion der Temperatur und Wellenlänge bestimmt ist (Formel (5)). "Subtrahiert" man die Wandstrahlung (Flamme aus) von der Strahlung des Oberofens mit Flamme, so erhält man den Strahlungsanteil der Gesamtstrahlung, der durch die Flamme (besser: Reaktionszone mit Radikalen und emittierenden Gasspezies) und ihre Mehrfachreflexion zwischen den Seitenwänden bestimmt ist. Will man das reine Strahlungsverhalten der Flamme bzw. Reaktionszone ermitteln, so muss diese Mehrfachreflexion der Flammenstrahlung zwischen den beiden Seitenwänden, die durch den Reflexionsfaktor K in Gleichung (4) repräsentiert wird, herausgerechnet werden. Mit Hilfe dieser Vorgehensweise kann die Flammenstrahlung in Glasschmelzwannen und auch am GWI Versuchsofen ermittelt werden Ergebnisse von Messungen an industriellen Glasschmelzwannen An zwei Grünglaswannen A und B gelang es, die nötigen Emissionsspektren zu messen, um nach der eben beschriebenen Vorgehensweise das Strahlungsverhalten der Flamme zu ermitteln. Bild 13 und Bild 14 zeigen die ermittelten Messkurven und das ermittelte Strahlungsverhalten der Flamme sowie die Temperatur und das Emissionsvermögen eines Grauen Strahlers, der mit Hilfe der ermittelten Messdaten zur Flammenstrahlung interpoliert wurde

22 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Spektrale spezifische Ausstrahlung in kw/(m 2 µm) Grünglaswanne A Feuer rechts Einblick von rechts, zum Doghouse Bereich: Flammenwurzel Messung Wand Flamme T Flamme =1786 C, ε Flamme =0, Wellenlänge in nm Bild 13: Spektrale spezifische Ausstrahlung an Grünglaswanne A Bei den Messungen an den industriellen Glasschmelzaggregaten zur Herstellung von Weißglas konnten die Emissionsspektren ohne Flamme aus verschiedenen Gründen nicht gemessen werden. Damit ist eine Ermittlung des Strahlungsanteils der Flamme an der Gesamtstrahlung nicht möglich. Jedoch zeigt schon der Vergleich der gemessenen Gesamtstrahlung im Oberofen bzw. Verbrennungsraum, dass in den verschiedenen Glasschmelzaggregaten je nach Wannenfahrweise, Glasart und Randbedingungen der Feuerung Unterschiede im gemessenen Spektrum zu sehen sind (Bild 15)

23 HVG - GWI Spektrale spezifische Ausstahlung in kw/(m 2 µm) 350 Einblick von links, Wannenmitte Bereich: Flammenende Grünglaswanne B Feuer links Messung Wand Grünglas Flamme T Flamme =1605 C, ε Flamme = Wellenlänge in nm Bild 14: Spektrale spezifische Ausstrahlung an Grünglaswanne B Spektrale spezifische Ausstrahlung in kw/(m 2 µm) Grünglaswanne A Grünglaswanne B Grünglaswanne C Weißglaswanne B Wellenlänge in nm Bild 15: Vergleich der spektralen spezifischen Ausstrahlung im Oberofen von einer Weiß- und 3 Grünglaswannen mit Flamme

24 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Spektrale spezifische Ausstrahlung in kw/(m 2 µm) GWI Versuchsofen: 4.92% CO GWI Versuchsofen: λ= 1.05 Grünglaswanne B Grünglaswanne A Wellenlänge in nm Bild 16: Vergleich der Strahlungsspektren einer oxidierend bzw. reduzierend eingestellten Flamme an GWI-Versuchsofen Ergebnisse bei Messungen am GWI-Versuchsofen Wie in Bild 16 zu erkennen ist, sind die Strahlungsspektren aus dem Oberofen von Glasschmelzwannen und aus dem Verbrennungsraum des Laborofens des GWI vergleichbar und zeigen einen ähnlichen Verlauf. Basierend auf der in beschriebenen Vorgehensweise wurde das Flammenspektrum einer oxidierend eingestellten und einer extrem reduziert eingestellten Gasflamme am GWI-Versuchsofen ermittelt. Die Ergebnisse sind in Bild 17 a) und b) dargestellt. Diese beiden Kurven und die berechneten Parameter des Grauen Strahlers für die Flamme dokumentieren deutlich, dass Änderungen der Verbrennungsparameter zu veränderten Wärmestrahlungsspektren führen. Neben der Temperatur kann der Emissionsgrad der Flamme beeinflusst werden, was sich auf das Verhältnis direkte Wärmeeinstrahlung ins Glasbad zu Gesamtstrahlung auswirkt

25 HVG - GWI Spektrale spezifische Ausstrahlung in kw/(m 2 µm) GWI Versuchsofen: Loch 10a Referenz: Brennerwinkel=9, Luftzahl=1.05 Referenz Messung 1 Referenz Messung 3 Referenz Messung 4 Wand ohne Flamme Flamme T Flamme =1683 C, ε Flamme = Wellenlänge in nm GWI Versuchsofen: Loch 10a 4.92% CO: Brennerwinkel=9, Luftzahl=? a) Spektrale spezifische Ausstrahlung in kw/(m 2 µm) % CO Messung % CO Messung 2 Wand Flamme T Flamme =1509 C, ε Flamme = Wellenlänge in nm Bild 17: Vergleich der Strahlungsspektren einer a) oxidierend bzw. b) reduzierend eingestellten Flamme an GWI-Versuchsofen. b)

26 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Interpretation der Emissionsspektren von Flammen 50 Grünglaswanne A Ermittlung der Flammenstrahlung Einblick von rechts Spektrale spezifische Ausstrahlung in kw/(m 2 µm) Feuer links (gegenüberliegende Seite) Feuer rechts (Beobachtungsseite) Wellenlänge in nm Bild 18: Strahlungsanteil der Flamme bei Feuer links und rechts in Grünglaswanne A Bild 18 zeigt die Emissionsspektren der Flamme bei Feuer links und Feuer rechts in der Grünglaswanne A. Das Spektrum setzt sich aus einem Grauen Strahler (Ruß und Staub bei hoher Temperatur Teilchenstrahlung) und den Spektrallinien verschiedener Reaktionsprodukte der Verbrennung sowie von Radikalen zusammen (Linienspektren von Gasen). Beim Vergleich mit Literaturwerten und entsprechenden Datenbanken (HITRAN DATA BASE) kann eine Zuordnung in gewissen Grenzen erfolgen. Bild 19 zeigt die Linienstärke der meisten relevanten Gase in relativen Einheiten als Funktion der Temperatur. Um die Absorption quantitativ zu errechnen, muss ausgehend von den Daten in Bild 18 noch die Eigen- und Fremdverbreiterung berücksichtigt und die Konzentration der einzelnen Spezies mit einberechnet werden. Trotzdem erlauben die Ergebnisse von Bild 19 eine Zuordnung einzelner Absorptions- und Emissionspeaks in Bild 18. Für die ausführliche Diskussion der einzelnen Effekte ist die Beschäftigung und Kenntnis mit quantenphysikalischen Methoden, Berechnungen und Gesetzmäßigkeiten von Nöten, deren Betrachtung den Rahmen eines solchen Abschlussberichtes sprengen würde. Die ausführliche Darstellung und Diskussion ist in der mehrteilig angelegten Veröffentlichung der Ergebnisse in den

27 HVG - GWI HVG-Mitteilungen der HVG, Offenbach, beginnend mit der Ausgabe Dezember 2003, vorgesehen. 3.50E E E-019 rel. Intensität 2.00E E E-019 CO NOx Wasser CO2 5.00E Wellenlänge in nm Bild 19: Linienstärke einzelner Gasspezies bei 1000 C berechnet mit Hilfe von HITRAN DATA BASE. 3. Untersuchung des Strahlungsverhaltens von Gas-Luft-Flammen durch das GWI sowie Umsetzung der Ergebnisse am GWI Versuchsofen Ziel dieses Projektes ist es, den Wärmeeintrag in die Glasschmelze durch gezielte Einflussnahme auf die Flamme zu verbessern. Dabei soll versucht werden, die einzelnen Zonen der Flammen so über dem Glasbad zu positionieren, dass die Verbrennungswärme möglichst effektiv an die Glasbadoberfläche und in die semitransparente Glasschmelze hinein übertragen wird. Es sollte also eine gezielte Einflussnahme auf die Positionierung der Verbrennungsbereiche speziell der Rußbildungszone entwickelt werden. Der Aufgabenschwerpunkt des GWI liegt einerseits in experimentellen Untersuchungen handelsüblicher Brenner am GWI-Versuchsofen mit ausführlichen Messungen die Rußbildung betreffend. Andererseits sollen auf nu

28 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL merischen Weg neue Brennereinstellungen bzw. Brennerportvariationen vorgenommen werden, um den Einfluss auf die Rußbildung und deren räumliche Verlagerung zu untersuchen Experimentelle Untersuchungen Die experimentellen Untersuchungen am GWI wurden an dem im Bild 20 dargestellten Versuchsofen durchgeführt. In diesem Ofen können die Verhältnisse einer Glasschmelzwanne (Luftvorwärmtemperaturen von 1350 C, Ofenrauminnenwandtemperaturen bis 1650 C) nachgestellt werden. Durch diverse Messöffnungen wurden Temperaturen und Spezieskonzentrationen auf der waagerechten Mittelebene des Ofens erfasst. Darüber hinaus wurden längs der Ofenmittelachse die Strahlungswärmeflüsse auf die Wände gemessen. Ergänzt wurden die Untersuchungen durch den Einsatz kamerabasierter Messtechniken zur Visualisierung der Rußbildung und der Verteilung der OH-Verbrennungsradikale. Außerdem werden die Rand- und Einrittsbedingungen, wie die Gas- und Luftströme, die Kühlleistung zum Einstellen der Ofenraumtemperatur, die Wandtemperaturen und die Abgasanalyse erfasst. Bild 20: Versuchsofen des GWI 3.2. Numerische Untersuchungen Die numerischen Simulationen wurden mit dem CFD-Programmsystem FLUENT durchgeführt. Mit diesem Programmsystem, das auf der Grundlage der Finiten-Vo

29 HVG - GWI lumen-methode arbeitet, können die komplexen Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgänge in einem Ofenraum unter Einbeziehung von chemischen Reaktionen abgebildet werden. Das Programmsystem FLUENT besteht aus mehreren Programmen, die unter anderem der Gittergenerierung dienen, sowie als Datenbanken für Stoffwerte zur Bestimmung des Speziestransports mit und ohne Verbrennung dienen. Im Rahmen dieses Projektes wurde für die Turbulenzmodellierung das Reynolds- Stress-Modell verwendet. Obwohl es durch die Betrachtung der Transportgleichungen in allen drei Koordinatenrichtungen sehr rechenintensiv ist, hat es sich als das genaueste zur Abbildung der Vorgänge im Versuchsofen des GWI herausgestellt. Für die Modellierung der Verbrennung wird das pdf-gleichgewichtsmodell eingesetzt. Dies ist einerseits durch die Vorabberechnung der Temperatur-, Stoffeigenschaftsund Speziesverteilung nach der Gleichgewichtschemie und Ablage dieser Daten in externen Datentabellen sehr zeiteffektiv, anderseits ist es möglich, Zwischenprodukte wie CO oder OH zu berechnen Vorgehensweise Erste numerische Untersuchungen zum Wärmeübertragungsverhalten von Flammen in Glasschmelzwannen Im Vorfeld wurden erste numerische Simulationen an einer Geometrie vorgenommen, die einer stark vereinfachten U-Flammenwanne ähnelt (siehe Bild 21). Hierbei wurde sich speziell auf die Sekundärgaseindüsung konzentriert, um eine Verlagerung der Rußbildung zu erreichen und um damit die Wärmestrahlung auf das Glasbad zu verbessern bzw. gezielt zu steuern. Durch das sekundäre Eindüsen eines Teils des Brennstoffs in einem Bereich, der hohe Temperaturen und geringe O 2 - Werte aufweist, wird der Brennstoff gecrackt und durch den Sauerstoffmangel kommt es zur Bildung von Ruß

30 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Bild 21: Ofenraumgeometrie zur Untersuchung des Einflusses der Sekundärgaseindüsung Mit FLUENT ist es möglich, durch postprocessing die Rußbildung zu simulieren. Leider sind die eingebundenen Modelle so einfach (Ein- und Zweischrittmodelle), dass für diesen Anwendungsfall kein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht wurde. Aussagen über die mögliche Rußbildung soll deshalb die CO-Verteilung als Indikator für einen noch nicht abgeschlossene Verbrennung in Zusammenhang mit den Temperatur- und Sauerstoffverteilungen geben. Im Bild 22 und 23 sind die Temperatur- und die CO-Verteilung für vier verschiedene Einstellungen dargestellt. Durch die Eindüsung von Sekundärgas vergrößert und verlagert sich die Ausbreitung von CO. Da davon ausgegangen werden kann, dass dies ein Zeichen für die Rußbildung ist, kann eine Verlagerung des Wärmeeintrags in die Glasschmelze angenommen werden. Eine Überprüfung dieses Zusammenhangs wurde experimentell untersucht und bestätigt. Die technische Realisierung einer Sekundärgaseindüsung sowie die Gewährleistung eines vollständigen Ausbrandes werden in der Industrie als kritisch angesehen, und somit wurde nach einer Vorstellung ersten vielversprechender numerischer und experimenteller Ergebnisse auf einer Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses von diesem beschlossen, diesen Weg der Rußzonenvergrößerung und -verlagerung als eine der möglichen Alternativen weiter zu verfolgen

31 HVG - GWI a) ohne Sekundärgaseindüsung b) Sekundärgaseindüsung links b) Sekundärgaseindüsung rechts b) Sekundärgaseindüsung links und rechts Bild 22: Temperaturverteilung für verschiedene Sekundärgaseindüsungen a) ohne Sekundärgaseindüsung b) Sekundärgaseindüsung links b) Sekundärgaseindüsung rechts b) Sekundärgaseindüsung links und rechts Bild 23: CO-Verteilung für verschiedene Sekundärgaseindüsungen

32 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Ausgehend von einer typischen Brennerportanordnung wie sie in Bild 24 schematisch dargestellt ist wird eine andere Möglichkeit, die partielle Rußbildung zu beeinflussen, darin gesehen, dass ein Teil des Brennstoffs durch Variation der Anstellwinkel oder der Brennstoffgeschwindigkeit vom Strom der Verbrennungsluft separiert und gezielt in Bereiche mit hoher Temperatur und geringem O 2 -Anteil transportiert wird. Diese Möglichkeit der Rußzonenbeeinflussung wird im Folgenden mit "Unterschießen" bezeichnet Experimentelle und numerische Untersuchungen zur Verlagerung der Rußbildung Im Rahmen dieses Projektes wurde entsprechend Bild 24 eine neue Brennerstirnwand für den Versuchsofen (Bild 20) des GWI gebaut, um den Einfluss der einzelnen Brennerlanzen auf die Flamme zu untersuchen. Es wurden zahlreiche experimentelle Untersuchungen aufbauend auf ersten numerischen Simulationen durchgeführt. Hierbei wurden zur Validierung der Rechnungen anhand detaillierter Sondenmessungen und Kameraaufnahmen die Temperatur- und Konzentrationsverteilung, die Strahlungswärmeflüsse an den Wänden, die Rußbildung und die Flammenlage erfasst. Im Bild 25 bis 28 sind einige ausgewählte Ergebnisse dieser ersten Tests dargestellt. Um Vergleiche zur herkömmlichen Brennereinstellung vornehmen zu können, wurde ein Referenzfall vermessen, bei dem alle Brennerlanzen die gleiche Einstellung und Brennstoffbeaufschlagung haben. Erste gezielte Beeinflussungen der Rußbildung wurden durch sogenanntes Unterschießen der Flamme mit einzelnen Brennstoffstrahlen vorgenommen. Hierzu ist im Bild 25 die Einstellung der einzelnen Brennerlanzen für eine Variante (Fall 0) dargestellt

33 HVG - GWI Bild 24: schematische Darstellung des Brennersports am GWI-Versuchsofens Bild 25: Brennerlanzeneinstellung für die Variante Unterschießen Fall 0 Im Bild 26 sind im Vergleich die numerischen und experimentellen Ergebnisse für den Referenzfall und die Variante Unterschießen - Fall 0 gegenübergestellt. Die Simulation zeigt die CO-Verteilung in der Mittelebene des Versuchsofens. Im Versuch wurde die Flamme mittels Kameraeinsatz erfasst, indem die Endoskopoptik am hinteren Ende in der Ofenwand positioniert wurde. Hierbei wird das Leuchten des Rußes in den Hochtemperaturzonen der Flamme aufgezeichnet. Die Strahlung der gasförmigen Komponenten CO 2 und H 2 O wird nicht detektiert. Der Vergleich zwischen Simulation und Experiment zeigt gute tendenzielle Übereinstimmungen der Flammencharakteristik. Beim Referenzfall ist gemäß der numerischen Simulation CO nur im unteren Teil des Ofens vorhanden, und auch die Rußzone, die mittels Kameraendoskopie ermittelt wurde, befindet sich nur in der unteren Hälfte, so dass der Blick auf den Lufteinlass frei bleibt. Beim Unterschießen Fall

34 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL hingegen breitet sich die Verbrennungszone gemäß der numerisch simulierten CO- Verteilung auch oberhalb des Lufteinlasses aus, was sich in der Kamerarußaufnahme beim Versuch ebenfalls widerspiegelt. Bild 26: Vergleich numerischer und experimenteller Ergebnisse zwischen Referenzfall und Unterschießen Fall 0 Im Bild 27 sind die Strahlungswärmeflüsse an den Wänden für verschiedene Einstellungen gegenübergestellt. Aufgrund der vielversprechenden numerischen Ergebnisse der Sekundärgaseindüsung wurden auch einige experimentelle Untersuchungen diesbezüglich durchgeführt. Das Ergebnis eines solchen Tests ist im Bild 27 vergleichend mit aufgeführt. Anhand dieser Darstellung ist in Übereinstimmung mit den vorab durchgeführten numerischen Untersuchungen eine deutliche Veränderung im Strahlungsverhalten der Flamme im Bereich der Sekundärgaseindüsung erkennbar. Hingegen zeigt das Unterschießen im Vergleich zum Referenzfall kaum einen Einfluss auf das Strahlungsverhalten. Dies steht im Widerspruch zu den Ergebnissen, die in Bild 26 dargestellt sind. Durch das asymmetrische Unterschießen kommt es aufgrund der beengten Geometrie des Versuchofens zu hohen thermischen Belastungen der Wände wie die Temperaturfeldverteilung in der waagerechten Mittelebene (siehe Bild 28) zeigt

35 HVG - GWI Da zum einen die Methode des Unterschießens als ein vielversprechender Ansatzpunkt für weitere Untersuchungen erschien, und zum anderen die numerischen Simulation ihre Aussagezuverlässigkeit im Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen der Versuchsofentests unter Beweis gestellt hat, wurde vom projektbegleitenden Ausschuss festgelegt, dass weitere symmetrische "Unterschieß"-Einstellungen zuerst mit Hilfe der Numerik untersucht werden sollten. Die Ergebnisse der erfolgversprechendsten Varianten sollten dann mittels zusätzlicher experimenteller Untersuchungen bestätigt werden. Bild 27: Strahlungswärmeflüsse für verschiedene Brennereinstellungen Bild 28: gemessene Temperaturfeldverteilung für die Unterschießvariante In Tabelle 2 sind die Einstellungen der einzelnen Brennerlanzen für die Unterschießvarianten aufgeführt. Hierin bedeuten α und β die Einstellwinkel der Lanzen entsprechend Bild 29, w die Brennstoffgeschwindigkeit in [m/s] und V die

36 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Brennstoffmenge in [Vol.-%].- Fall 0. Die Ergebnisse der Simulationen sind in den Bildern 30 und 31 dargestellt. Bild 30 zeigt die CO-Verteilung in der mittleren, waagerechten Ofenebene und Bild 31 eine Fläche konstanter Temperatur bei 1700 C im Ofenraum. Anhand dieser Bilder ist zu erkennen, dass durch die verschiedenen Winkel- und Geschwindigkeitseinstellungen der Brennerlanzen ein deutlicher Einfluss auf die CO- Verteilung und die Flammenlage und form genommen werden kann. Bild 29: Einstellwinkel der Brennerlanzen Tab. 2: Einstellungen der Unterschießvarianten Düse 1 Düse 2 Düse 3 Unterschießvariante α β w V α β w V α β w V Referenzfall Mitte Schnell Mitte Langsam Außen Schnell Außen Langsam % über Mitte % über Mitte - geneigt Ergänzende Tests am GWI-Hochtemperaturofen Durch eine erneute Messkampagne sollten die durch die Numerik gewonnenen Erkenntnisse am Versuchsofen des GWI experimentell bestätigt werden. Speziell hin

37 HVG - GWI sichtlich des Wärmeübertragungsverhaltens gilt es, die Vorteile der vielversprechenden "Unterschieß"-Varianten gegenüber dem Referenzfall nachzuweisen. a) Referenzfall b) Fall: Mitte - schnell c) Fall: Mitte - langsam d) Fall: Außen - schnell e) Fall: Außen - langsam f) Fall: 70% über Mitte g) Fall: 70 % über Mitte - geneigt Bild 30: CO-Verteilung in der mittleren, waagerechten Ofenebene

38 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL a) Referenzfall b) Fall: Mitte - schnell c) Fall: Mitte - langsam d) Fall: Außen - schnell e) Fall: Außen - langsam f) Fall: 70% über Mitte g) Fall: 70 % über Mitte - geneigt Bild 31: Isotherme einhüllende Fläche bei einer Temperatur von 1700 C Die Ergebnisse dieser numerischen und experimentellen Untersuchungen am Versuchsofen des GWI wurden anschließend auf eine reale Glasschmelzwanne übertragen. Aus dem Vergleich der Bilder 29 und 30 ist zu erkennen, dass für den

39 HVG - GWI Fall "70 % über Mitte geneigt" die längste Flamme zu erwarten ist. Dieser Fall wird in Bild 32 näher erläutert. Bild 32: Skizzierung der Einstellungen für den Fall "70 % über Mitte - langsam" Beim Fall "70 % über Mitte - geneigt" werden 70 % des Brennstoffes über die mittlere Gaslanze eingedüst. Durch die Absenkung des mittleren Lanzenanstellwinkels auf 0 wird der Hauptgasstrahl von den beiden seitlichen Gasstrahlen mit jeweils 15 % überdeckt und von der Verbrennungsluft abgeschirmt. Zusätzlich wird der Durchmesser der mittleren Lanze so groß gewählt, dass der Austrittsimpuls und somit auch der Mischimpuls so gering wie möglich sind. Durch zusätzliche Tests am Versuchsofen konnte bestätigt werden, dass die als vorteilhaft berechneten Varianten sich auch im Experiment als geeignet herausstellten. Wie der Abbildung 35 zu entnehmen ist, weisen die beiden Varianten, Sekundärgas und Unterschießen, geringere NO x -Werte auf als der Referenzfall. Gleichzeitig wird die Stromab-Verlagerung der Reaktionszone beim Sekundärgasfall durch die hohen CO-Werte in der Ofenmitte in Bild 34 ersichtlich. Lediglich die Verlängerung der Reaktionszone durch das Unterschießen konnte messtechnisch nicht nachgewiesen werden, da der Großteil der Reaktion und der Temperaturentwicklung unterhalb der Messebene stattfindet

40 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Bild 33: experimentell ermittelte Temperaturverteilung der mittleren horizontalen Ebene des Versuchofens für den Referenzfall (oben), die Sekundärgaseindüsung (Mitte) und den Fall "70 % über Mitte - langsam"/unterschießen (unten) Bild 34: experimentell ermittelte CO-Verteilung der mittleren horizontalen Ebene des Versuchofens für den Referenzfall (oben), die Sekundärgaseindüsung (Mitte) und den Fall "70 % über Mitte - langsam"/unterschießen (unten)

41 HVG - GWI Bild 35: experimentell ermittelte NO x -Verteilung der mittleren horizontalen Ebene des Versuchofens für den Referenzfall (oben), die Sekundärgaseindüsung (Mitte) und den Fall "70 % über Mitte - langsam"/unterschießen (unten) 3.5. Übertragung auf Glasschmelzwannen Animiert durch die guten Resultate der beiden Varianten wurde im darauf folgenden Schritt versucht, mittels numerischer Simulation die Varianten auf eine Glasschmelzwanne (Grünglaswanne A) zu übertragen. Dies diente der Vorbereitung der Praxistests, da nicht gewünschte Auswirkungen und Folgen vorab erkannt und abgestellt werden können. Die Abbildungen 36 bis 38 zeigen die numerisch berechneten Temperaturverteilungen, die Lage der Hochtemperaturzonen sowie die CO-Verteilung, aus der ersichtlich wird, ob ein vollständiger Ausbrand erreicht wird

42 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Bild 36: numerisch simulierte Temperaturverteilung in der Brennerebene einer Glasschmelzwanne für den Referenzfall (oben, links), die Sekundärgaseindüsung (oben, rechts) und den Fall "70 % über Mitte - langsam"/unterschießen (unten, rechts) Bild 37: numerisch simulierte isotherme Temperaturflächen der Flamme bei 1900 C für eine Glasschmelzwanne für den Referenzfall (oben, links), die Sekundärgaseindüsung (oben, rechts) und den Fall "70 % über Mitte - langsam"/unterschießen (unten, rechts)

43 HVG - GWI Bild 38: numerisch simulierte CO-Verteilung einer Glasschmelzwanne in der Brennerebene für den Referenzfall (oben, links), die Sekundärgaseindüsung (oben, rechts) und den Fall "70 % über Mitte - langsam"/unterschießen (unten, rechts) Die positiven Ergebnisse dienten zur Überzeugung des Wannenbetreibers diese Varianten-Einstellungen an seiner Wanne vorzunehmen und durch GWI und HVG messtechnisch untersuchen zu lassen (siehe Kapitel 7). 4. Bestimmung der optischen Eigenschaften der Glasschmelzen Der grundlegende Mechanismus der Wärmeübertragung im Verbrennungsraum bei der Glasschmelze ist die Wärmestrahlung im Bereich zwischen 1 und 4 µm. Daher ist die Kenntnis der optischen Eigenschaften der Glasschmelze in diesem Bereich sowohl für die numerische Simulation als auch für die Umsetzung der qualitätssteigernden Maßnahmen nötig. Die Ermittlung der Daten erfolgte durch die TNO (Niederlande) mit Hilfe einer etablierten Methode. Die TNO Glass entwickelte eine Messapparatur, um die spektrale Absorption von Glasschmelzen bei unterschiedlichen Glasbadtiefen zu messen und so systematische Messfehler zu vermindern. Es wurden die optischen Eigenschaften verschiedener Glasarten untersucht (u.a. weißes, grünes und braunes Behälterglas, reduzierend erschmolzenes Grünglas, Floatglas, Borosilicatglas, E-Glas zur Faserfertigung,

44 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Schirmglas zur Bildröhrenfertigung und Bleisilicatglas). Die so gewonnen Erkenntnisse werden von der TNO genutzt, um die Eigenschaften anderer Gläser mit Hilfe einer Messung der optischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und einer Sauerstoffpartialdruckmessung in der Schmelze beim Aufheizen von Scherben zu ermitteln. Folgende Daten der zu untersuchenden Gläser müssen bestimmt werden oder bekannt sein: o Chemische Zusammensetzung des Glases, vor allem der polyvalenten Ionen im Glas wie Eisen und Chrom. o Der Anteil des Fe 2+ am Gesamteisengehalt bei Raumtemperatur. o Der Redoxzustand der Glasschmelze bei hohen Temperaturen, charakterisiert durch den Sauerstoffpartialdruck. o Die spektralen optischen Eigenschaften des Glases bei Raumtemperatur zwischen dem Bereich des sichtbaren Lichts und 4 µm. Anschließend werden die ermittelten Eigenschaften des zu untersuchenden Glases mit den in der Datenbank erfassten Gläsern verglichen. Wird ein vergleichbares Glas in der Datenbank gefunden, kann mit dessen Hilfe der spektrale Korrelationsfaktor bestimmt werden. Dieser wird dann genutzt, um die optischen Hochtemperatureigenschaften des zu untersuchenden Glases bzw. der Glasschmelze zu ermitteln. Bild 39 zeigt die Ergebnisse zur Bestimmung der spektralen optischen Eigenschaften des Glases, das in der Grünglaswanne A erschmolzen wird, und Bild 40 die entsprechenden Ergebnisse für das Glas der Weißglaswanne A. Diese Daten dienen als Grundlage für die in Kapitel 6 beschriebenen Berechnungen. Außerdem machen sie auch deutlich, dass ein Wärmeeintrag in die Tiefe des Glasbades am besten im Wellenlängenbereich von 2 bis ca. 2,7 µm möglich ist. Eine Intensivierung der Strahlung der Flamme in diesem Bereich würde eine Erhöhung des direkten Wärmeeintrags von der Flamme ins Glasbad erheblich unterstützen

45 HVG - GWI High temperature spectra green container glass 10 Extinction coefficient (cm-1) C 1200 C 1300 C 1400 C Wavelength ( nm) Bild 39: Die spektralen optischen Eigenschaften des Grünglases A bei hohen Temperaturen High temperature spectra flint container glass 10 Extinction coefficient (cm-1) HVG1100 HVG1200 HVG Wavelength (nm) Bild 40: Die spektralen optischen Eigenschaften des Weißglases A bei hohen Temperaturen 5. Einfluss der optischen Eigenschaften der feuerfesten Materialien auf den Energieaustausch in der Glasschmelzwanne Der in Gleichung (5) beschriebene Faktor K ist nur von den Eigenschaften des Materials abhängig, aus dem die Seitenwände des Verbrennungsraumes gebildet werden. Der Faktor K in Gleichung (4) ist ein Maß für die Reflexion der Flammen

46 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL strahlung an den beiden Seitenwänden. Bild 41 zeigt welchen Einfluss verschiedene feuerfeste Materialien auf den Reflexionsfaktor r haben. Dabei ist zu bedenken, dass Reflexion durch die Gleichung (6) beschrieben wird, wobei das Transmissionsvermögen t bei feuerfesten Materialien Null ist und somit nur durch das Emissionsvermögen ε des Materials bestimmt wird. r = 1 t ε (6) Ist also das Emissionsvermögen der Steine gering, wie es bei AZS-Materialien der Fall ist, dann ist das Reflexionsvermögen entsprechend größer. Dabei kommt die größte Verstärkung der Flammenstrahlung durch Reflexion an den Seitenwänden im Bereich von 1,9 bis 2,6 µm zum Tragen. Dies entspricht dem Wellenlängenbereich, der ein Eindringen der Wärmestrahlung in die Glasbadtiefe begünstigt auf Grund der geringen Absorption der beiden Glasschmelzen. Emissivity Factor K Irradiance of the medium between the side walls Influence of the emissivity of different refractory materials Fire clay AZS Wavelength in nm Bild 41: Reflexionsfaktor K (aus Gleichung (4)) und Einfluss des Emissionsvermögens unterschiedlicher feuerfester Materialien

47 HVG - GWI 6. Simulationsrechnung des Wärmeübergangs an einer industriellen Glasschmelzanlage Um den Rahmen dieses Abschlußberichtes nicht zu sprengen, werden die Ergebnisse der Simulationsrechnung nur an einer der beiden Glasschmelzanlagen (Grünglaswanne A) exemplarisch dargestellt. Das TNO Glaswannenmodell, GTM-X, berücksichtigt die Strahlungsvorgänge sowohl in der Schmelze als auch im Verbrennungsraum mit einer spektralen Beschreibung der Vorgänge. Durch die spektrale Betrachtungsweise können bessere Aussagen über die Situation an Grenzflächenübergängen (Verbrennungsraum/Schmelze) gemacht werden im Vergleich zu der bisher verwendeten Rosseland Approximation. Der Unterschied im Innern der Medien ist auf Grund der unterschiedlichen Betrachtungsweise nicht so groß. Berechnet wurde der Unterschied in den Eigenschaften des Basiszustandes der Glasschmelzwanne und die Eigenschaften bzw. Zustände in der Wanne beim Einsatz des Unterschiessfalles (Bild 32). Bei den spektralen Eigenschaften der Glasschmelze wurden 3 Teilbereiche ausgemacht, die das Verhalten spektral beschreiben, und zur Simulationsrechnung herangezogen wurden. Einige Ergebnisse dieser Simulationsrechnung werden im Folgenden vergleichend dargestellt. a) b) Bild 42: Iso-Oberfläche der CO-Konzentration von Massenanteilen im Grundzustand a) und im Fall des Unterschiessens, 70 % Mitte geneigt, b) mit überlagerter Temperaturskala. Bild 42 stellt die Verteilung von Kohlenmonoxid im Verbrennungsraum dar, die mit Hilfe des TNO-Modells errechnet wurde. Beim Vergleich mit Bild 38, deren Ergebnisse mit dem CFD-Programmsystem FLUENT berechnet wurden, ist eine gute

48 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Übereinstimmung zu erkennen. Die CO-Konzentration dient als Indikator für die Beschreibung des Verbrennungsfortschritts. In den Bereichen mit erkennbaren CO- Konzentrationen ist auch mit einer entsprechenden Rußbildung zu rechnen. Bild 43 gibt die mit dem TNO-Modell berechneten Ergebnisse zur räumlichen Anordnung von Rußpartikeln im Verbrennungsraum wider. Die Ergebnisse, die in Bild 43 dargestellt sind, belegen, dass die CO-Konzentration als Indikator benutzt werden kann, um die Bereiche im Verbrennungsraum zu bestimmen, in denen Rußbildung zu erwarten ist und in denen eine entsprechende Emissionsstrahlung auftritt. Durch die Anwesenheit von Ruß in der Reaktionszone wird der Emissionsgrad lokal erhöht und ein verbesserter direkter Wärmeeintrag ermöglicht. Bild 44 und Bild 36 erlauben ebenfalls den Vergleich der Simulationsergebnisse von GWI und TNO. Beide Bilder geben die Temperatur in der waagrechten Schnittebene Mitte Brenner im Verbrennungsraum wider. Zum besseren bzw. leichteren Vergleich der Simulationsergebnisse ist Bild 36 neben Bild 44 nochmals abgebildet (mit Bildnummer 45). a) b) Bild 43: Iso-Oberfläche der Rußkonzentration von Volumenanteilen im Grundzustand a) und im Fall des Unterschiessens, 70 % Mitte geneigt, b) mit überlagerter Temperaturskala. Durch den direkten Vergleich sind die Unterschiede besser zu erkennen. Dabei sind die Absolutwerte der Temperatur sehr ähnlich, jedoch ist die Lage der Temperaturspitzen bzw. von Temperatursenken und die Ausdehnung der einzelnen Temperaturzonen vor allem im Fall des Unterschießens unterschiedlich

49 HVG - GWI Bild 46 und Bild 47 zeigen die mit dem TNO-Modell errechneten Temperaturen an der Glasbadoberfläche. Dabei werden bei Bild 46 leider zwei unterschiedliche Temperaturskalen von der TNO bei der Darstellung benutzt. Für Bild 47 gilt jedoch eine einheitliche Temperaturfarbskala und die 2-dimensionale Darstellung erlaubt einen besseren Vergleich. Die errechneten Absolutwerte, der in Bild 47 dargestellten Oberflächentemperaturen sind um ca. 100 K zu hoch, wenn man Messwerte aus früheren Forschungsvorhaben und die Erfahrungswerte der Glashersteller heranzieht. Hier zeigen sich auch die Grenzen der Simulationsrechnung, wenn die Eingangsdaten beschränkt sind auf die in der Produktion vorhandenen Messungen und kein zusätzlicher Messaufwand für die Simulationsrechnung vorgenommen wird. Die Ergebnisse in Bild 48, die den Wärmeübergang an der Grenzfläche Verbrennungsraum/Schmelze für den Ausgangszustand und den Fall des Unterschiessens widergeben, sind auf Grund der nicht korrekt errechneten Temperaturen der Glasbadoberfläche auch mit entsprechender Vorsicht zu bewerten was die Absolutwerte anbelangt. Die zonalen Veränderungen des Wärmeübergangs können den realen Verhältnissen durchaus entsprechen, soweit bisherige Erfahrungen der Praxis eine Beurteilung erlauben. a) b) Bild 44: Temperaturverteilung im Verbrennungsraum in der Schnittfläche Mitte Brenner im Grundzustand a) und im Fall des Unterschiessens, 70 % Mitte geneigt, b). Die Schwierigkeiten der Simulationsrechnung belegen auch die in Tabelle 3 dargestellten Ergebnisse für die Gewölbetemperatur und der Vergleich mit den Messdaten aus der Glasschmelzwanne. Dabei zeigt sich auch, dass sich deutliche Unterschiede ergeben, je nach dem welches Modell zur Simulation der Vorgänge in der Glasschmelzwanne verwendet wird

50 AIF Nr. 80ZN: SPEKTRAL Bild 45: numerisch simulierte Temperaturverteilung in der Brennerebene einer Glasschmelzwanne für den Referenzfall (oben, links), die Sekundärgaseindüsung (oben, rechts) und den Fall "70 % über Mitte - langsam"/unterschießen (unten, rechts) a) b) Bild 46: Temperaturverteilung in der Schnittfläche Glasbadoberfläche im Grundzustand a) und im Fall des Unterschiessens, 70 % Mitte geneigt, b)

51 HVG - GWI a) b) Bild 47: Temperaturverteilung in der Glasbadoberfläche im Grundzustand a) und im Fall des Unterschiessens, 70 % Mitte geneigt, b). a) b) Bild 48: Wärmeübergang an der Grenzfläche Verbrennungsraum/Schmelze in W/m 2 im Grundzustand a) und im Fall des Unterschiessens, 70 % Mitte geneigt, b). Tabelle 3: Vergleich gemessener Temperaturen und errechneter Temperaturen im Gewölbe Simulationsrechnung mit Messdaten Rosseland Grauem Strahler Spektralen Daten Gewölbetemperatur über dem Gemenge nahe der brennerseitigen Stirnwand o C Gewölbetemperatur im vorderen Teil der Wanne ohne Gemengebedeckung o C Gewölbetemperatur im Läuterbereich o C Temperatur der Glasschmelze kurz vor dem Durchlass o C