Merkzettel Verbrennungstechnik

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Pamela Bieber
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1 Merkzettel Verbrennungstechnik Julian0 SS 2010 ALLE Angaben ohne Gewähr (Bemerkung: bedeutet, dass der Teil in einer der Altklausuren vorkam (pro Klausur ein anfügen).) 1 Prozess der Verbrennung Zerstäubung und Verdampfung (nur bei flüssigen Brennstoffen) Mischung (Brennstoff + Oxidationsmittel) Zündung (Aktivierungsenergie von extern oder Selbstzündung) Verbrennungsreaktion (Wärmeentwicklung) Rückkopplung zur Zündung Wärmeabgabe 2 Reaktion 2.1 Reaktionsgleichungen Magere Verbrennung C x H y + λa(o N 2 ) xco 2 + y 2 H 2O + λa3.76n 2 bei Luftüberschuss (λ > 1) zusätzlich: +(λ 1)aO 2 mit a = x + y Reaktionsgeschwindigkeit Verallgemeinerte Arrhenius-Gleichung 2.3 Energier CH-Brennstoffe: MJ kg 3 Gemischverhältnisse Mager/Lean: Luftüberschuss Fett/Rich: Bennstroffüberschuss k(t) = A T b exp( EA RT ) 1

2 3 GEMISCHVERHÄLTNISSE 2 Luftmenge: L = nl n B, L min = nl min n B Luftverhältnis: λ = L L Lmin = nl n Lmin Stöchometrisches Verhältnis: Φ = 1 λ Massenbruch: Y i = mi m Molenbruch: X i = ni n Mischungsbruch: f St,i = Yi,St Yi, Y i,0 Y i, 3.1 Mischungsbruch Reaktionszone T Y Br Y Pr Y Ox 0 1 f st f 3.2 Adjabateverbrennungs Temperatur T ad Sauerstoff Luft λ Bei λ = 1, t 0 = 25 C und 1 bar: 3.3 Zündfähigesgemisch Stoff H 2 -Luft H 2 -O 2 CH 4 -Luft T ad 2390 K 3083 K 2226 K CH 4 61% Luft N 2 15% 5% Zündfähig O 2 21%

3 4 HEIZ- UND BRENNWERTE Molaremassen ( gegeben) Stoff M g/mol C 12 H 1 S 32 O 16 N Lewis Zahl Verhältnis von Diffusion zu Wärmeleitung 4 Heiz- und Brennwerte Le = λ Dc p ρ Heizwert: H u = Q 12 ṅ B Brennwert (mit kondensierten H 2 O) H o > H u H u = Q 12 ṁ B 4.1 Heizwert für Kohlenwasserstoff H u = MJ kg 5 Strömungen 5.1 Reynoldszahl Turbolenz der Strömung Re T groß viele kleine Wirbel Re T kleine wenige große Wirbel Re = U D ν Re kr 2200 Re T = u L x ν

4 6 FLAMME 4 6 Flamme 6.1 Flammenform Nachoxidation (fahl blau) Leuchtzone (gelb) Flammenfront (blau) λ = 1 (blau) Br.+Luft Lam. Vormischflamme keine Strahlung Schadstoffregulierung Rückschlaggefahr Stabilisierung schwierig z.b. modernes Düsentriebwerk Brennstoff Lam. Diffusionsflamme Strahlung keine Schadstoffregulierung sicherer sehr Stabil z.b. Klinkerherstellung Br, Ox T Pr Ox T Br kalt Rad. Pr x f st x 6.2 Flammenfärbung Blau (typischerweise Vormischflamme), Grund: Chemolumineszenz Geld (typischerwiese Diffusionsflammen), Grund: Schwarzkörperstrahlung von Ruß 6.3 Laminare Flammengeschwindigkeit Maximum leicht über λ = 1 Methan-Luft bei λ = 1: = 0, 4 m s Fausregel - Druck und Temperatur (p) p 0.5 (T 0 ) T 2 0

5 6 FLAMME Bestimmung Kegelwinkel Laminare Rohrströmung mit Vormischflamme am offenen Ende sin α = u α u Br. + Ox. Flammenausbreitung in Rohr Rohr gefüllt mit Brennstoff und Oxidationsmittel wird an einer Seite angezündet und die Geschwindigkeit der Flammenfront gemessen 6.4 Turbulente Verbrennungsgeschwindigkeit Leading Edge kalt S L S T u heiß u s T = + u s T = 1 + u 6.5 Turbolenz - Borghi-Peters-Diagramm schnelle Durchmischung Da = 1 log u Turbolenzintensität Re t = 1 laminar schnelle Chemie Turbolenz-Makrolänge log Lx δ L Ka = 1 dickere Flammenfront u =

6 7 NUMERIK Instabile Vormischflamme << Ausströmgeschwindigkeit Wegblasen der Flamme >> Ausströmgeschwindigkeit Rückschlagen der Flamme 6.7 Stabilisierung Staupunkt Drallstabilisierung Pilotflamme 7 Numerik 7.1 Allgemeines Vorgehen Problemlösung Strömungsproblem Modelgleichungen Numerisches Verf. Interpretation Datenreduktion Visualisierung Numerische Lösung Mit Hilfe von: Kontinuitätsgl. Navier-Stokes Gl. Energiegl. Speziesgl. 7.2 Flamet Statistisch gemittelter Ansatz Nur mit δ L < 1 mm möglich Bei laminar ähnlicher Flammenfront Entkoppelt Turbolenz und Reaktion c = T T 0 T max T 0, c (0, 1) 7.3 RANS - Raynolds Avereged Navier Stokes Statistischer Ansatz mit gemittelten Größen Normal nur mit geringen Dichteänderungen genau, deshalb Dichte normiert Dichte muss mit gemessen werden

7 8 SCHADSTOFFE LES - Large Eddy Simulation Große Wirbel exakt lösen, kleine gemittelt (wie z.b. RANS) Es muss eine Cut-Off Größe gewählt werden 8 Schadstoffe NO x SO x Ruß CO 2 Unverbrannte CH Ruß NO x UHC + CO 2 1 Φ Schadstoffenstehung bei einem Dieselmotor 8.1 NO x Bildung Thermisch: T hoch und lange Verweilzeit, N 2 + O NO + N Promt: ab T niedrig und fett, CH + N 2 HCN +... NO +... Brennstoff: bei Kohle und Öl Via N 2 O: p hoch und mager, N 2 + O + M N 2 O + M 2NO +... Gegenmaßnamen: T niedrig halten Verweilzeit optimieren Mit reinem O 2 verbrennen Selektiv Reduzieren

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