DPG (1) ThV SIEGEN Turbulente Verbrennung Friedrich Dinkelacker Lehrstuhl für Thermodynamik und Verbrennung Institut für Fluid- und Thermodynamik Fachbereich Maschinenbau Universität Siegen DPG - Arbeitskreis Energie - Bad Honnef - 20. April 2007 Lehrstuhl für Thermodynamik und Verbrennung DPG (2) ThV SIEGEN Über 90% der weltweiten technischen (*) Energienutzung geschieht über Verbrennungsvorgänge: Pratt&Whitney PW 4000 Turbulente Verbrennung • Stromerzeugung Kohlekraftwerke Gas-Kraftwerke • Wärmenutzung Heizung Feuerungen • Verkehr (*) Direkte nichttechnische Solarenergienutzung (Licht, Wärme, Photosynthese) ist allerdings vielfach höher (H. Scheer)
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DPG (1)
ThVSIEGEN
Turbulente Verbrennung
Friedrich Dinkelacker
Lehrstuhl für Thermodynamik und VerbrennungInstitut für Fluid- und Thermodynamik
Fachbereich MaschinenbauUniversität Siegen
DPG - Arbeitskreis Energie - Bad Honnef - 20. April 2007
Lehrstuhl für Thermodynamik und Verbrennung
DPG (2)
ThVSIEGEN
Über 90% der weltweiten technischen (*) Energienutzung geschieht über Verbrennungsvorgänge:
Pratt&WhitneyPW 4000
Turbulente Verbrennung
• Stromerzeugung KohlekraftwerkeGas-Kraftwerke
• Wärmenutzung HeizungFeuerungen
• Verkehr
(*) Direkte nichttechnische Solarenergienutzung (Licht, Wärme, Photosynthese) ist allerdings vielfach höher (H. Scheer)
2. Turbulente FlammenstrukturPlanare LasermesstechnikTurbulenz-Flamme WechselwirkungExkurs: Vermischungsoptimierung an Gasturbinen-Brenner
3. Numerische BerechnungGleichungen sind bekannt - aber direkte Lösung kaum möglichMittelungsproblematikGibt es doch eine Lösung ? Turbulentes Flammenpropagationsmodell
2. Turbulente FlammenstrukturPlanare LasermesstechnikTurbulenz-Flamme WechselwirkungExkurs: Vermischungsoptimierung an Gasturbinen-Brenner
3. Numerische BerechnungGleichungen sind bekannt - aber direkte Lösung kaum möglichMittelungsproblematikGibt es doch eine Lösung ? Turbulentes Flammenpropagationsmodell
DPG (26)
ThVSIEGENErste 2D-Messung in Flamme
Michael Faraday 1860"Lectures on the chemical history of a candle"
2. Turbulente FlammenstrukturPlanare LasermesstechnikTurbulenz-Flamme WechselwirkungExkurs: Vermischungsoptimierung an Gasturbinen-Brenner
3. Numerische BerechnungGleichungen sind bekannt - aber direkte Lösung kaum möglichMittelungsproblematikGibt es doch eine Lösung ? Turbulentes Flammenpropagationsmodell
DPG (39)
ThVSIEGEN
NO
Bren
nkam
mer
Gas
turb
ine
Luftzahl λ
NO
x-E
ntst
ehun
g
VermischungsoptimierungEinfluss auf NOx-Bildung
Gasturbinen vor 15 Jahren
Kooperation mit Siemens-KWU
• H. Krämer, F. Dinkelacker, A. Leipertz, G. Poeschl, M. Huth, M. Lenze, ASME Paper No. 99-GT-135 (1999).
• F. Dinkelacker, H. Krämer, A. Leipertz, G. Poeschl, M. Huth, M. Lenze, 19. Deutscher Flammentag, VDI-Berichte 1492, 475 (1999).
1
schlechte Vermischung
gute Vermischung
Luftzahl λ
NO
x-E
ntst
ehun
g
DPG (40)
ThVSIEGEN
Ringbrennkammer einer Gasturbine(Siemens/KWU, V84.3A)
DPG (41)
ThVSIEGEN
Siemens V64.3A Ringbrennkammer-Segment mit 5 Brennern, Originalgröße, Mischung am mittleren Brenner wird untersucht, 1 bar, ohne Flamme
Acetondampf als Tracer zum Brennstoffstrom gemischt, LIF-Anregung 248 nm, LIF-Detektion 350 - 600 nm
VermischungsoptimierungRingbrennkammer-Segment
DPG (42)
ThVSIEGEN
a
Ohne Mischer Mit Mischer
c
cR rms′
≡
Lochplatte
Vermischungsoptimierung
fe
Einlass Vormischkanal: Turbulenzerzeuger
Relative Gemisch-fluktuation
DPG (43)
ThVSIEGEN
a
Ohne Mischer
c
cR rms′
≡
Ohne Mischer, viele Wochen später bei komplett neuem optischen Aufbau
2. Turbulente FlammenstrukturPlanare LasermesstechnikTurbulenz-Flamme WechselwirkungExkurs: Vermischungsoptimierung an Gasturbinen-Brenner
3. Numerische BerechnungGleichungen sind bekannt - aber direkte Lösung kaum möglichMittelungsproblematikGibt es doch eine Lösung ? Turbulentes Flammenpropagationsmodell
DPG (46)
ThVSIEGENMethodik: Numerische Berechnung
Bilanzgleichungen für turbulente reaktive Strömungen (zeitabhängig)
2. Turbulente FlammenstrukturPlanare LasermesstechnikTurbulenz-Flamme WechselwirkungExkurs: Vermischungsoptimierung an Gasturbinen-Brenner
3. Numerische BerechnungGleichungen sind bekannt - aber direkte Lösung kaum möglichMittelungsproblematikGibt es doch eine Lösung ? Turbulentes Flammenpropagationsmodell
DPG (58)
ThVSIEGENDank ...
Prof. Dr. Edgar Lüscher, Prof. Dr. Alfred Hübler, MünchenProf. Dr. Jürgen Wolfrum, HeidelbergProf. Dr.-Ing. Alfred Leipertz, Erlangen
Mitarbeiter und Kollegen: Daniel Hofmann, Armin Soika, Dieter Most, Hanno Krämer, Ahmad Sakhrieh, Florian Altendorfner, Micha Löffler, Sebastian Pfadler, Jörg Scheuerlein (Experimente)Reddy Muppala, Naresh Aluri, Bhu Manickam (Numerik)
Externe Forschungspartner: ZSW StuttgartFhG ISE FreiburgTU-Sofia (Bulgarien) Prof. Stankov, D. Markov Univ. Nis (Serbien) Prof. IlicTU-MünchenUniv. BayreuthTU-Darmstadt