OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG

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1 OTTO-VON-GUERICKE-UNIVERSITÄT MAGDEBURG Fakultät für Verfahrens- und Systemtechnik Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungstechnik zum Versuch: Praktikumsanleitung Druckmessung Dieses Praktikum besteht aus zwei Versuchen: I. Erfassung stationärer Druckwerte an einer Rohranlage II. Erfassung instationärer Druckwerte (Verbrennungslärm) Teil II Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Was ist Verbrennungslärm? Prinzip der Messungen Auswertung Literatur Anhang...6 Prof. D. Thévenin Magdeburg, März 2008

2 Versuchsanlage zur Untersuchung des Verbrennungslärms 1. Einführung Viele Verbrennungsanlagen werden von gravierenden Lärmproblemen gestört. Der erzeugte Lärm wird durch eine Kopplung von Druck- und Wärmefreisetzungsschwankungen verursacht (Abb.1). Druckschwankung Wärmefreisetzungsschwankung Abb.1: grundlegender Kopplungsprozess Dieses Problem ist schon sehr lange bekannt und wurde bereits 1878 von Lord Rayleigh in England qualitativ erklärt: If heat be given to the air at the moment of greatest condensation, or be taken from it at the moment of greatest rarefaction, the vibration is encouraged. In vielen Fällen ist Lärm lediglich eine Störung, die die Benutzer der Anlage beunruhigt aber ohne Konsequenzen für das System bleibt. Das ist zum Beispiel der Fall für viele Hausbrenner und kessel, die im Betrieb zwar laut sind, dabei aber voll funktionsfähig bleiben. Für Gasturbinen, die vermehrt für die dezentrale Produktion von Elektrizität eingesetzt werden, kann aber dieser Kopplungsprozess so weit gehen, dass die Flamme völlig instabil wird. Das Ergebnis wird combustion instability genannt und kann im schlimmsten Fall zur kompletten Zerstörung der Anlage führen, so groß sind die resultierenden, pulsierenden Druckkräfte auf die Brennkammerwände (Abb.2). Abb.2: Zerstörung einer Gasturbine durch Verbrennungsinstabilitäten (ASME GT )

3 Es ist daher für die Praxis sehr wichtig, die Ursache dieser Kopplung besser zu verstehen und Lösungen zu entwickeln, die Verbrennungsinstabilitäten vermeiden. Dies hat zum Beispiel dazu geführt, dass die Deutsche Forschungsgemeinschaft eine spezifische Forschergruppe (DFG-FG 486 Verbrennungslärm ) gegründet hat, auf deren Webseite ( Informationsmaterial gefunden werden kann. Auch wenn hier der Verbrennungslärm lediglich als Störung gesehen wird, ist es vielleicht interessant zu erwähnen, dass das gleiche Prinzip bereits 1875 zur Entwicklung eines Musikinstruments (Flammenorgel, oder Pyrophon) verwendet wurde. Dieses fand allerdings, vor allem wegen Sicherheitsproblemen, wenig Verwendung. Abb.3: Pyrophon (Bild aus Wikipedia) 2. Was ist Verbrennungslärm? Details des Kopplungsprozesses sollen hier auf Grund des Umfangs nicht erläutert werden. Es gibt zudem noch etliche ungelöste Fragen, die im Rahmen von aktueller Forschung untersucht werden. Siehe hierzu die aufgelistete Literatur sowie auf der vorher angegebenen Webseite einige interessante Quellen und Artikel der Grundlagenforschung, die weitere Referenzen beinhalten. Für das Verständnis der grundlegenden Prinzipien ist der kurze, übersichtliche Artikel von P.Baade (2004) sehr hilfreich und wird daher mit ausgehändigt. Außerdem stützt sich P. Baade auf eine Anlage, die fast identisch mit der hier vorliegenden Anlage ist. Es wird daher ausdrücklich empfohlen, diesen Artikel jetzt zu lesen Verbrennungslärm basiert, wie bereits erklärt, auf der positiven Rückkopplung von Druckund Wärmefreisetzungsschwankungen. Zum Beispiel wird wegen einer leichten Druckerhöhung die eingeführte Kraftstoffmenge etwas reduziert. Dies führt etwas später zu einer Verringerung der von der Verbrennung freigesetzten Wärme. Findet diese Reduzierung gleichzeitig mit dem Erreichen des Minimalwerts des akustischen Drucks statt, kann hiermit eine positive Kopplungsspirale gestartet werden, die zu sehr hohen Schwankungspegeln führen kann. In diesem Fall ist der erzeugte Lärm wahrnehmbar, evtl. sogar störend. In ganz schlimmen Fällen, wenn die freigesetzte Energie sehr groß ist, kann dies zur Zerstörung der Anlage führen (Abb.2).

4 3. Prinzip der Messungen Aus Zeitgründen wird in dem vorliegenden Fall lediglich die Druckschwankung mit einem einfachen Mikrophon gemessen. Die Schwankung der Wärmefreisetzung könnte eventuell durch einen Photomultiplier gemessen werden. Dies könnte aber nur erfolgen, wenn die Anlage transparent gestaltet wäre, damit der Flammenbereich optisch sichtbar wird, was Probleme mit der Wärmeverträglichkeit mit sich bringen würde. In Abb.4 wird exemplarisch eine ähnliche, schwingende Flamme dargestellt. Abb.4: pulsierende Flamme, Zeit von links nach rechts und von oben nach unten (Quelle: Video von Daniel Durox, Laboratoire EM2C, Visualisierung anhand Schlieren-Verfahren. Der Frequenzbereich von Geräuschen, die das menschliche Ohr (nicht das Mikrophon!) hören kann, ist in der Abb.5 dargestellt. Abb.5: wahrnehmbare Frequenzen (Quelle: Universität Bochum, Fachbereich Neurowissenschaft) Der erste Schritt der Arbeit besteht jetzt darin, Verbrennungslärm überhaupt zu produzieren! Hierzu muss (vorsichtig) die Flamme in Schräglage gezündet werden, mit dem Rohr in oberer Position. Anschließend werden die Gasflasche und die Flamme wieder zentriert. Das Rohr wird dann langsam auf die Flamme abgesenkt, bis die Flamme singt. Da mit Metallrohren gearbeitet wird, müssen ständig Sicherheitshandschuhe getragen werden, um Verbrennungen zu vermeiden.

5 Verschiedene Tiefen sollten ausprobiert werden, um sowohl Frequenz als auch Pegel der Druckschwankung zu verändern. In dem Artikel von P. Baade wird erklärt, wie theoretisch die Frequenz dadurch verändert wird. Anschließend wird mit dem Mikrophon und tragbarem PC das Drucksignal aufgenommen. Hierfür wird das kostenlose Programm AudioCommander der Firma Andrea (siehe bei Bedarf verwendet. Über die Dauer der Aufnahme und Aufnahmefrequenz sollten Sie selbst entscheiden und im Bericht begründen. Die Datei wird anschließend im Standard Wave-Format (.wav) gespeichert. Solche Dateien können später problemlos in Matlab über das Menü File/Import eingelesen werden. Die Länge des Rohres kann mit einem zweiten Rohr, das auf dem ersten gleitet (dabei Sicherheitshandschuhe tragen), kontinuierlich verändert werden. Eine Analyse der entsprechenden Beobachtungen sollten Sie dem Bericht beifügen. Am Ende der Versuche sollten alle Rohdateien per Secure-FTP auf Ihr PC-Cluster-Konto übertragen werden, um die spätere Bearbeitung zu ermöglichen. Eine Sicherheitskopie auf USB-Stick kann nicht schaden. 4. Auswertung Das Auswertungsprotokoll soll folgende Elemente enthalten : Kurze Versuchsbeschreibung, welche Parameter wurden variiert?; Wie wurde die Auswertung durchgeführt? Parameter? verwendete Programme (evtl. beifügen); Ergebnisse : graphisch dargestellt, vergleichend, eventuelle Fehlerquellen, Ungereimtheiten diskutieren; Zusammenfassung, Schlussfolgerungen, Diskussion, Anregungen. Bei der Auswertung wird mit dem Zeitsignal gearbeitet, um eine Frequenzanalyse durchzuführen. Besonders interessant ist die Bestimmung spezifischer Frequenzen und die damit verbundenen Erklärungen. Es können sinnvollerweise alle Analysenwerkzeuge eingesetzt werden, die während der theoretischen Vorlesung hierfür vorgestellt wurden. Literatur Baade, P.K., Sound and Vibration July:22-27 (2004) Laverdant, A., Gouarin, L. & Thévenin, D., Combustion Theory and Modelling 11: (2007) Rayleigh, J.W.S., Nature 18:319 (1878). Rayleigh, J.W.S., The Theory of Sound, Vol. II, Dover, New York, NJ, (1945). Zähringer, K., Durox, D. & Lacas, F., International Journal of Heat and Mass Transfer 46: (2003).