Technische Verbrennungssysteme: Grundlagen, Modellbildung, Simulation

ISBN-13: 9783540539476 / Niemiecki / Miękka / 1991 / 499 str.

Klaus Garner

Opis

Technische Verbrennungssysteme schlagt die Brucke zwischen den Entwicklern wissenschaftlicher Berechnungsprogramme zur Beschreibung dieser Systeme und deren Anwendern in Planung, Ausfuhrung und Betrieb. Daher steht am Anfang eine Charakterisierung von Verbrennungseinrichtungen, um daran die Moglichkeiten der Anwendung von Simulationen aufzuzeigen. Den Hauptteil bilden Grundlagen zur Beschreibung von Stromung, Reaktion mit Schadstoffbildung und Warmeubertragung. Dabei wird, nur wenn unbedingt notig, eine wissenschaftlich fundierte Ableitung der Zusammenhange angefuhrt. Der Schwerpunkt liegt auf einer ubersichtlichen Zusammenstellung der unmittelbaren Zusammenhange mit Angabe von weiterfuhrender Literatur. Konkrete Anwendungsfalle zeigen den Entwicklungsstand und die Moglichkeiten solcher Modelle auf."

Spis treści

I Verbreinnungsenrichtungen: Aufbau, Funktion und Charakterisierung.- 1 Einführung und Motivation.- 1.1 Energiesituation und Konsequenzen für die Verbrennungstechnik.- 1.2 Umweltschutz und seine Auswirkungen auf Industrie und Kraftwerkstechnik.- 1.3 Hauptvorgänge bei der Verbrennung.- 1.4 Einflüsse auf den Verbrennungsvorgang.- 1.5 Motivation für eine mathematische Modellbildung und Simulation.- 1.6 Teilbereiche mathematischer Modellierung bei technischen Verbrennungssystemen.- Literatur.- 2 Einteilung technischer Verbrennungseinrichtungen.- 2.1 Übersicht.- 2.2 Einsatzbereiche.- 2.2.1 Einteilung.- 2.2.2 Feuerungen in Industrieöfen.- 2.2.3 Kesselfeuerungen.- 2.2.4 Feuerungen in Entsorgungsanlagen (thermische Zersetzung).- 2.2.5 Brennräume in Verbrennungskraftmaschinen.- 2.3 Verfahrenstechnische Einteilung technischer Feststoffverbrennungssysteme.- 2.3.1 Übersicht.- 2.3.2 Rostfeuerung, Wirbelschichtfeuerung und Staubfeuerung.- 2.3.3 Drehrohrofen.- Formelzeichen.- Literatur.- 3 Kenngrößen technischer Verbrennungseinrichtungen.- 3.1 Charakterisierungsgrundlagen.- 3.1.1 Strömungstechnische Charakterisierung.- 3.1.2 Wärmetechnische Charakterisierung.- 3.1.3 Reaktionstechnische Charakterisierung.- 3.2 Feuerungen für gasförmige und flüssige Brennstoffe.- 3.3 Feuerungen für feste Brennstoffe.- 3.3.1 Allgemeine Kennzeichnung der Systeme.- 3.3.2 Rostfeuerungen.- 3.3.3 Wirbelschichtfeuerungen.- 3.3.4 Staubfeuerungen.- 3.4 Feuerungen für Abfallstoffe.- 3.4.1 Allgemeine Kennzeichnung der Systeme.- 3.4.2 Hausmüllverbrennung.- 3.4.3 Klärschlammverbrennung.- 3.4.4 Industrierückstandsverbrennung.- 3.4.5 Sondermüllverbrennung.- 3.4.6 Rauchgasreinigung bei der Abfallverbrennung.- Literatur.- II Mathematische Modellierung: Voraussetzungen, Teilmodelle, Gesamtmodelle.- Überblick und Einordnung.- 4 Voraussetzungen für eine mathematische Modellbildung und Simulation.- Literatur.- 5 Ebenen der mathematischen Modellierung.- 5.1 Global- / Detail-Modelle.- 5.2 Einzel- / Gesamt-Modelle.- 5.3 Euler- / Lagrange-Modelle.- 5.4 Koordinaten, Dimensionalität und Einsatzbereiche der Modelle.- 5.4.1 Koordinaten.- 5.4.2 Dimensionalität.- 5.4.3 Einsatzbereiche.- 5.4.4 Mehr-Gitter-Methode (Multi-Griding).- 5.4.5 Teilgebietszerlegung (Subdomain Decomposition) Überlappende Gitter (Patched Grids).- Formelzeichen.- Literatur.- Kontinuumsbeschreibung.- 6 Bilanzierung von Zustandsgrößen.- 6.1 Herleitung der Bilanzgleichung.- 6.1.1 Allgemeine Überlegungen.- 6.1.2 Bilanzierung an einem endlichen Volumenelement dV.- 6.2 Zu bilanzierende Größen.- 6.2.1 Wechselwirkungszusammenhänge der Hauptmodelle.- 6.2.2 Bilanzgrößen der Hauptmodelle.- Formelzeichen.- Literatur.- 7 Beschreibung der Strömung.- 7.1 Verschiedene Variablensysteme (/7.1.1/).- 7.2 Impulstransport (“primitive Variablen”).- 7.2.1 Impulstransportgleichung.- 7.2.2 Gleichungen für die Druckberechnung.- 7.2.2.1 Übersicht über Berechnungsmethoden.- 7.2.2.2 Poisson-Gleichung.- 7.2.2.3 Druckkorrekturgleichung.- 7.2.3 Kontinuitätsgleichung.- 7.3 Turbulenzmodellierung.- 7.3.1 Eigenschaften der Turbulenz.- 7.3.1.1 Phänomenologische Betrachtung (/7.1.1/).- 7.3.1.2 Energiekaskade.- 7.3.1.3 Statistische Größen.- 7.3.2 Turbulenzmodelle.- 7.3.2.1 Turbulenter Impulstransport (Reynoldsgleichungen).- 7.3.2.2 Übersicht über Turbulenzmodelle.- 7.3.2.3 Mischungslängenansätze.- 7.3.2.4 Zweigleichungsmodell.- 7.3.2.5 Reynolds-Spannungsmodell.- 7.3.2.6 Algebraisches Spannungsmodell.- 7.3.3 Turbulenter Transport skalarer Größen.- 7.4 Einphasensysteme oder homogene Systeme.- 7.5 Zweiphasensysteme oder heterogene Systeme.- 7.5.1 Grundsätzliche Definitionen und Überlegungen.- 7.5.2 Bilanzierung für monodisperse nichtreagierende Zweiphasenströmungen.- 7.5.2.1 Allgemeine Bemerkungen.- 7.5.2.2 Kontinuitätsbilanz.- 7.5.2.3 Impulsbilanz.- 7.5.3 Bilanzierung für polydisperse nichtreagierende Zweiphasenströmungen.- 7.5.3.1 Grundsätzliche Überlegungen.- 7.5.3.2 Kontinuitätsbilanz.- 7.5.3.3 Impulsbilanz.- 7.5.4 Turbulenzmodellierung bei Zweiphasenströmungen.- 7.5.4.1 Allgemeine Bemerkungen.- 7.5.4.2 Globale Berücksichtigung der Turbulenzbeeinflussung.- 7.5.4.3 Modifikationen des Turbulenzmodells.- 7.5.5 Turbulenter Transport skalarer Größen.- 7.5.6 Polydisperse reagierende Zweiphasenströmungen.- Formelzeichen.- Literatur.- 8 Beschreibung des Brennstoffabbrandes.- 8.1 Bilanzierung für eine Spezies.- 8.1.1 Grundsätzliche Überlegungen zur Bilanzierung.- 8.1.2 Wahl des Konzentrationsmaßes.- 8.1.3 Bilanzgleichung für eine Spezies.- 8.1.4 Beschreibung des Mischungszustandes.- 8.1.5 Lokale Ungemischtheiten.- 8.2 Grundzüge der Reaktionskinetik.- 8.2.1 Kinetische Grundgleichungen (/8.5.10/).- 8.2.2 Arrheniusansatz für Reaktionen erster Ordnung.- 8.2.3 Allgemeiner Geschwindigkeitsansatz.- 8.2.4 Gleichgewichtskonzentration.- 8.2.5 Schnelle Gasphasenreaktionen.- 8.2.6 Turbulente reagierende Strömungen.- 8.2.6.1 Allgemeine Überlegungen.- 8.2.6.2 Einfluß der Temperaturfluktuationen.- 8.2.6.3 Das “Eddy-Break-Up”-Modell.- 8.2.6.4 Das “Eddy-Dissipation”-Konzept.- 8.2.6.5 Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen.- 8.2.7 Einordnung von Flammentypen.- 8.2.8 Heterogene Verbrennungsreaktionen.- 8.2.8.1 Verschiedene Regime bei heterogenen Reaktionen.- 8.2.8.2 Einzelteilchen-und Teilchengruppenverbrennung.- 8.3 Gasverbrennung.- 8.4 Ölverbrennung.- 8.4.1 Phänomenologische Beschreibung.- 8.4.2 Ölzerstäubung.- 8.4.3 Tropfenverdampfung bzw. -Verdunstung.- 8.4.4 Abbrand der Dämpfe.- 8.4.5 Ruß und Flugkoks.- 8.5 Kohleverbrennung.- 8.5.1 Phänomenologische Betrachtung.- 8.5.2 Pyrolyse.- 8.5.2.1 Phänomenologische Betrachtung und Einflußfaktoren.- 8.5.2.2 Aufheizrate und maximale Pyrolysetemperatur.- 8.5.2.3 Kohlezusammensetzung bzw. -provenienz.- 8.5.2.4 Übersicht über Pyrolysemodelle.- 8.5.2.5 Pyrolysemodell mit konstanter Pyrolyserate.- 8.5.2.6 Pyrolysemodell mit einer Arrheniusreaktion N-ter Ordnung.- 8.5.2.7 Pyrolysemodell mit zwei konkurrierenden Reaktionen erster Ordnung.- 8.5.3 Koksabbrand.- 8.5.3.1 Überblick und limitierende Teilvorgänge.- 8.5.3.2 Limitierung durch Transportprozesse.- 8.5.3.3 Limitierung durch chemische Reaktion.- 8.5.3.4 Koksabbrandzeiten.- 8.5.4 Abbrand der Flüchtigen.- 8.5.5 Ascheverhalten.- 8.5.6 Partikelgrößenhaushalt.- 8.5.6.1 Prinzipielle Überlegungen.- 8.5.6.2 Größenspezifische Eigenschaften.- 8.5.6.3 Kohlespezifische Eigenschaften.- 8.5.6.4 “Shadow”-Methode für die Umsatzberechnung.- 8.5.6.5 Modifizierte Momentenmethode.- 8.5.6.6 Fragmentierung.- Formelzeichen.- Literatur.- 9 Beschreibung der Schadstoffentstehung.- 9.1 Technisch relevante Schadstoffkomponenten.- 9.2 Einzuhaltende Grenzwerte.- 9.3 Kohlenstoffoxide.- 9.3.1 Kohlenstoffmonoxid (CO).- 9.3.2 Kohlenstoffdioxid (CO2).- 9.4 Schwefeloxide.- 9.5 Stickstoffoxide (Stickoxide).- 9.5.1 Einzelspezies und Entstehungspfade.- 9.5.2 Thermische NO-Bildung.- 9.5.3 Brennstoff-NO-Bildung.- 9.5.4 Prompt NO-Mechanismus.- 9.5.5 NO-Oxidations- und Reduktionspfade.- 9.5.6 Wirkungsweise von Primär- und nichtkatalytischen Sekundärmaßnahmen zur NOx-Reduktion.- 9.5.7 N2O-Bildungsmechanismus.- 9.6 Unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Ruß und Flugkoks.- 9.7 Partikel, Stäube und Feinststäube.- 9.8 Spurenelemente.- 9.9 Dioxine und Furane.- Formelzeichen.- Literatur.- 10 Beschreibung der Wärmeübertragung.- 10.1 Bilanzierung der Enthalpie.- 10.1.1 Energieübertragungsmechanismen.- 10.1.2 Gesamtenthalpie als beschreibende Größe.- 10.1.3 Bilanzgleichung für die Enthalpie.- 10.2 Konvektiver Energietransport.- 10.3 Energietransport durch Leitung.- 10.4 Energietransport durch Strahlung.- 10.4.1 Phänomenologische Betrachtung.- 10.4.2 Strahlungsintensitätsverteilung.- 10.4.2.1 Spektrale Richtungsstrahlungsintensität.- 10.4.2.2 Gesamtstrahlungsintensität.- 10.4.2.3 Übersicht über Strahlungsaustauschmodelle.- 10.4.3 Diffusionsmodell.- 10.4.4 Strahlungsaustauschrechnung mit der Flußmethode.- 10.4.5 Strahlungsaustauschrechnung mit der Zonenmethode.- 10.4.5.1 Grundsätzliche Überlegungen.- 10.4.5.2 Hottel’sches Zonenmodell.- 10.4.5.3 Monte-Carlo-Zonenmodell.- 10.4.6 Descrete-Transfer-Modell.- 10.5 Optische Eigenschaften.- 10.5.1 Allgemeine Grundlagen.- 10.5.2 Gasphäsenspezies.- 10.5.3 Partikelbeladenes Kontinuum.- 10.5.3.1 Allgemeine Zusammenhänge.- 10.5.3.2 Absorptionsverhalten von Kohle und Koks.- 10.5.3.3 Absorptionsverhalten von Asche.- 10.5.3.4 Absorptionsverhalten von Ruß.- 10.6 Berechnung der Temperatur.- 10.6.1 Mittlere Gastemperatur.- 10.6.2 Temperaturfluktuationen in der Gasphase.- 10.6.3 Mittlere Partikeltemperatur.- Formelzeichen.- Literatur.- Einzelpartikelbeschreibung für die Partikel- und Feststoffphase.- 11 Bewegung von Tröpfchen und Partikeln.- 11.1 Bewegung von Einzelpartikeln.- 11.1.1 Impulsbilanzgleichung.- 11.1.2 Widerstandsbeiwert für nichtreagierende Teilchen.- 11.1.3 Einfluß einer irregulären geometrischen Gestalt.- 11.1.4 Widerstandsbeiwert für verdampfende / pyrolysierende und abbrennende Teilchen.- 11.2 Teilchenwechselwirkung mit einem turbulenten Fluid.- 11.2.1 Phänomenologische Beschreibung und grundlegende Zusammenhänge.- 11.2.2 Deterministischer Diffusionsansatz.- 11.2.3 Stochastischer Dispersionsansatz.- 11.3 Teilchenwechselwirkungen im Partikelschwarm.- 11.4 Strömung im Nahfeld eines Partikels.- 11.4.1 Eindimensionale Approximation.- 11.4.2 Dreidimensionale Beschreibung.- 11.4.2.1 Allgemeine Überlegungen.- 11.4.2.2 Impulsbilanzgleichung.- Formelverzeichnis.- Literatur.- 12 Reaktion und Stoffaustausch bei Tröpfchen und Partikeln.- 12.1 Bilanzierung an Einzelpartikeln.- 12.1.1 Speziesbilanz an einem Einzelteilchen.- 12.1.2 Speziesbilanzgleichung für die Grenzschicht um das Teilchen.- 12.1.3 Einfluß der Relativbewegung auf den Stoffaustausch.- 12.1.4 Speziesbilanzgleichung für das Teilcheninnere.- 12.2 Teilchengruppenverbrennung.- 12.3 Abbrand von Öltröpfchen.- 12.3.1 Auftretende Phänomene.- 12.3.2 Reine Verdampfung.- 12.3.3 Simultane Verdampfung und Abbrand.- 12.3.4 Teilchengruppenverbrennung bei der Ölverbrennung.- 12.4 Abbrand Von Kohlepartikeln.- 12.4.1 Auftretende Phänomene.- 12.4.2 Plastisches Verhalten.- 12.4.3 Morphologisches Verhalten und Transportvorgänge im Innern eines Teilchens.- 12.4.4 Adsorptions- und Desorptionsprozesse.- 12.4.5 Heterogene Oberflächenreaktionen.- 12.4.6 Teilchengruppenverbrennung bei der Kohleverbrennung.- Formelverzeichnis.- Literatur.- 13. Energieaustausch bei Tröpfchen und Partikeln.- 13.1 Enthalpiebilanz an einem Einzelpartikel.- 13.2 Strahlungsaustauschverhalten von Einzelteilchen.- 13.2.1 Grundlagen und Definitionen.- 13.2.2 Absorptions- und Streuverhalten von Kohlen, Koksen und Aschen.- 13.3 Strahlungsaustauschverhalten bei hoher Beladung.- 13.4 Wärmetönung durch chemische Reaktion.- 13.5 Teilchentemperaturberechnung.- 13.5.1 Vereinfachte Berechnung der mittleren Teilchentemperatur.- 13.5.2 Verteilung der Grenzschichttemperatur.- Formelverzeichnis.- Literatur.- 14 Kopplung zwischen Kontinuums- und Einzelteilchenbeschreibung.- 14.1 Allgemeine Zusammenhänge.- 14.2 Kopplung der Impulsbilanz.- 14.3 Kopplung der Speziesbilanz.- 14.4 Kopplung der Energiebilanz.- Formelverzeichnis.- Literatur.- 15 Modellierungsansätze für Wirbelschichtfeuerungen.- 15.1 Besonderheiten der Wirbelschichtmodellierung.- 15.2 Eindimensionale Wirbelschichtmodelle.- 15.2.1 Vereinfachungen und Annahmen.- 15.2.2 Bilanzgleichungen.- 15.3 Dreidimensionale Wirbelschichtmodelle.- 15.3.1 Teilmodelle.- 15.3.2 Dispersionsmodell für die Quervermischung.- 15.3.3 Korngrößenbilanz.- Formelverzeichnis.- Literatur.- III Lösung des Gleichungssystems: Eigenschaften der Gleichungen und Methoden zu ihrer Lösung.- 16 Mathematische Eigenschaften der beschreibenden Gleichungen und Numerische Lösungsmethoden.- 16.1 Eigenschaften der Gleichungen.- 16.2 Überblick über Numerische Lösungsmethoden.- 16.3 Definitionen zum numerischen Lösungsverfahren.- Formelverzeichnis.- Literatur.- 17 Numerische Lösungsverfahren bei der Finiten Differenzen Methode.- 17.1 Approximation von Differentialquotienten.- 17.2 Ortsdiskretisierung.- 17.2.1 Differenzenschemata erster Ordnung.- 17.2.2 Die versetzte Gitterdefinition.- 17.2.3 Upwind-Differenzen.- 17.2.4 Das Hybrid-Verfahren.- 17.2.5 Differenzenschemata höherer Ordnung.- 17.2.6 Das ADI-Verfahren.- 17.3 Zeitdiskretisierung.- 17.3.1 Allgemeine Unterscheidung.- 17.3.2 Explizite Lösungsverfahren.- 17.3.2.1 Maximale Zeitschrittweite.- 17.3.2.2 Dynamische Zeitschrittweitensteuerung.- 17.4 Integration der Partikeltrajektorien.- Formelverzeichnis.- Literatur.- IV Simulation: Ausgewählte Beispiele.- 18 Simulationsbeispiele.- 18.1 Voraussetzungen, Randbedingungen und Vorgehensweise.- 18.2 Einzelflammenberechnungen (Kohlenstaub).- 18.2.1 Geschwindigkeiten, Temperaturen und Schlüsselspezies für eine abgehobene unverdrallte Flamme (Steinkohle).- 18.2.2 Einfluß des Dralls bei einer Steinkohlenstaubflamme.- 18.2.3 NO-Berechnungen für eine Steinkohlenstaubflamme.- 18.3 Feuerraumberechnungen (Kohlenstaub).- 18.3.1 Geschwindigkeiten und Mischungsfelder für einen braun- und steinkohlebefeuerten Feuerraum.- 18.3.2 Temperaturverteilung für einen braunkohlebefeuerten Feuerraum.- 18.3.3 Feuerraumgesamtberechnungen.- 18.4 Schlußbemerkungen.- Literatur.- A Anhänge.- A1 Eigenschaften technischer Brennstoffe.- A1.1 Übersicht.- A1.2 Eigenschaften technischer Brennstoffe.- A1.2.1 Eigenschaften technischer Gase.- A1.2.2 Eigenschaften technischer Öle.- A1.2.3 Eigenschaften von Kohle.- A1.2.4 Eigenschaften von Holz und Torf.- A1.2.5 Eigenschaften von Hausmüll.- A1.2.6 Eigenschaften von Klärschlamm.- A1.3 Einsatz technischer Brennstoffe.- A1.3.1 Steinkohle.- A1.3.2 Braunkohle.- A1.3.3 Klärschlämme.- Literatur.- A2 Bilanzgleichungen für verschiedene Koordinatensysteme.- A2.1 Kontinuitätsgleichung.- A2.2 Impulstransportgleichung.- A2.3 k-?-Turbulenzmodell.- A2.4 Transportgleichung für eine skalare Größe.- A2.4.1 Nichtzeitgemittelte Transportgleichung.- A2.4.2 Zeitgemittelte Transportgleichung.- Literatur.- A3 Stoffeigenschaften von Brennstoff und Verbrennungsprodukten.- A3.1 Allgemeine Bemerkungen.- A3.2 Kohle, Koks und Asche.- A3.3 Flüchtige Bestandteile (allgemein bei Kohle) und Methan.- A3.4 Luft und Sauerstoff.- A3.5 Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.- A3.6 Wasserdampf und Stickstoff.- Literatur.- A4 Definitionen statistischer Größen.- A4.1 Definition der Wahrscheinlichkeit.- A4.2 Definition der differentiellen Wahrscheinlichkeit.- A4.3 Definition der Verteilungsfunktion.- A4.4 Definition der Verteilungsdichtefunktion.- A4.5 Verbundene Wahrscheinlichkeitsfunktion.- Literatur.- A5 Combustion Symposien.- A6 Formelzeichen.- A7 Farbtafeln.