Heutzutage wird bei jeder Verbrennung von fossilen Brennstoffen eine große Menge an CO2
in die Atmosphäre freigesetzt. Da das zur ständig wachsenden Umweltverschmutzung
beiträgt, war es ein Ziel der Semesterarbeit eine Brennerkonfiguration zu finden, mit der es
möglich ist Deponie- und Klärgase zu verbrennen. Diese Brennstoffe haben einen großen
Wasserstoffanteil, was viele Probleme bei der Verbrennung verursacht. Alternativ soll auch
die Verbrennung von Methan möglich sein.
Ein solcher Brenner zur stabilen Verbrennung von reinem Wasserstoff, bei gleichzeitiger
Verwendbarkeit zur Verbrennung von Erdgas (Methan), ist bis jetzt noch nicht erreicht, was
aber in der heutigen Zeit, mit den immer knapper werdenden Rohstoffen und fossilen
Brennstoffen und der damit einhergehenden Umweltverschmutzung, ein kleiner aber nicht zu
verachtender Schritt wäre.
Die Verbrennung von Deponiegas greift zudem nicht mehr die knappen Rohstoffreserven
unserer Erde an, sondern verwertet die ohnehin vorhandenen Abfallprodukte. Dabei ist sie
auch noch ein wenig umweltverträglicher als die Verbrennung fossiler Brennstoffe, da der
Ausstoß von CO2 verringert wird.
Inhaltsverzeichnis
1 Motivation
2 Verbrennung
2.1 Einleitung
2.2 Allgemeines
2.3 Arten von Flammen
2.3.1 Turbulente Flammen
2.3.2 Laminare Flammen
2.3.3 Diffusionsflamme
2.3.4 Vormischflamme
3 Inbetriebnahme
4 Versuchsdurchführung
4.1 Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Köpfe
4.2 Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Schlitzlängen
4.3 Untersuchung des Einflusses der verschiedenen Düsen
4.3.1 Einfluss der hohen Düse (Düse 3)
4.3.2 Einfluss der roten Düse (Düse 1)
4.3.3 Vergleich der verschiedenen Düsen
4.4 Untersuchung des Einflusse eines anderen Drallerzeugers
4.5 Ideale Konfiguration für Wasserstoff
5 Umbau des Versuchsstandes und des Drallerzeugers
6 Herunterfahren des Versuchsstandes
7 Probleme bei der Versuchsdurchführung
8 Zusammenfassung
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die vorliegende Arbeit verfolgt das primäre Ziel, eine optimale Brennerkonfiguration zu entwickeln, die eine stabile Verbrennung von reinem Wasserstoff ermöglicht und gleichzeitig die Verwendbarkeit für Erdgas (Methan) sicherstellt. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der experimentellen Untersuchung der Stabilitätsgrenzen, insbesondere in Bezug auf Rückschlag- und Abblasverhalten.
- Experimentelle Bestimmung der optimalen Brennergeometrie unter Variation von Köpfen, Schlitzlängen und Düsentypen.
- Untersuchung des Rückschlagverhaltens und der Detektierbarkeit von Flammeninstabilitäten.
- Analyse der Abblasgrenzen bei unterschiedlichen thermischen Belastungen und Gemischzusammensetzungen.
- Evaluation einer sogenannten "2-Äste Theorie", die auftretende Phänomene bei instabilen Flammen zu erklären versucht.
Auszug aus dem Buch
2.3.3 Diffusionsflamme
Man spricht von einer Diffusionsflamme wenn eine Flamme ohne Luftvormischung brennt. Der zur Verbrennung notwendige Sauerstoff wie auch alle anderen Luftanteile diffundieren (eindringen) über den Flammenrand in die Flamme hinein, weshalb die Flamme zum Flammenkern hin immer schlechter mit Sauerstoff versorgt wird, und der Brennstoff deshalb nur zum Teil verbrennt. Die Flamme unterscheidet man in drei Teilbereiche:
Einen kalten Bereich zu Beginn der Verbrennungsstrecke gleich nach dem Gas-/Ölaustritt, in ihm findet keine nennenswerte Reaktion statt, der Flammenkern besteht aus unverbranntem Gas/Öl.
Der zweite Bereich wird leuchtend genannt, in ihm glüht der durch die Hitze des Flammensaumes vom Kohlenwasserstoff abgespaltenen Kohlenstoff mit gelber Farbe, weshalb man auch von einer Gelbflamme spricht.
Der dritte Bereich ist der äußere, heiße Flammenrand, in dem sich die exotherme Verbrennungsreaktion zu Kohlendioxid und Wasserdampf abspielt.
Diffusionsflammen kommen wegen der hohen unverbrannten Anteile, die man am starken Rußen der Flammen erkennt, in der Technik nur mehr als Zündflamme vor und im Alltag als Kerzenflamme. Frühere Ölöfen arbeiteten auch nach diesem Prinzip, was allerdings technisch veraltet ist.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Motivation: Einführende Erläuterung der Relevanz einer stabilen Wasserstoffverbrennung und der angestrebten umweltverträglichen Nutzung von Abfallgasen.
2 Verbrennung: Theoretische Grundlagen zu Verbrennungsprozessen, Flammenarten (laminar/turbulent, diffusions-/vormischt) sowie physikalischen Einflussgrößen.
3 Inbetriebnahme: Detaillierte Beschreibung der notwendigen Schritte zur Aktivierung des Laborversuchsstands, der Software-Steuerung und der Sicherheitsvorkehrungen.
4 Versuchsdurchführung: Dokumentation der experimentellen Versuchsreihen, inklusive der Untersuchung von verschiedenen Brennerköpfen, Schlitzlängen, Düsen und Drallerzeugern.
5 Umbau des Versuchsstandes und des Drallerzeugers: Beschreibung der mechanischen Arbeiten und der notwendigen Sicherheitsmaßnahmen beim Umbau der Versuchsanlage.
6 Herunterfahren des Versuchsstandes: Protokoll der ordnungsgemäßen Außerbetriebnahme der Anlage nach Abschluss der Versuchsreihen.
7 Probleme bei der Versuchsdurchführung: Analyse aufgetretener Schwierigkeiten, wie instabile Gasströme oder mechanischer Verschleiß an den Bauteilen.
8 Zusammenfassung: Abschließende Betrachtung der Ergebnisse und Fazit zur experimentellen Untersuchung der Stabilitätsgrenzen des Drallbrenners.
Schlüsselwörter
Drallbrenner, Wasserstoffverbrennung, Verbrennungsstabilität, Rückschlaggrenze, Abblasgrenze, Kernmassenstrom, Vormischflamme, Diffusionsflamme, Brennerkonfiguration, 2-Äste Theorie, industrielle Verbrennung, Gasschwankungen, Versuchsstand, Verbrennungsforschung, Flammenfront
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es grundsätzlich in dieser Arbeit?
Die Arbeit untersucht experimentell die Stabilitätsgrenzen eines Drallbrenners, um eine Brennerkonfiguration zu finden, die sowohl für reinen Wasserstoff als auch für Erdgas geeignet ist.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die zentralen Felder sind die Verbrennungstechnik von Wasserstoff, die Optimierung der Brennergeometrie durch Variation von Bauteilen sowie die Analyse von Flammeninstabilitäten.
Welches primäre Ziel verfolgt die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Findung einer stabilen Brennerkonfiguration, bei der die Flamme ohne oder mit minimalem Kernmassenstrom brennt und gleichzeitig ein breites Arbeitsfenster gegenüber Rückschlag- und Abblasrisiken bietet.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine experimentelle, empirische Methode angewandt, bei der verschiedene Geometrien und Einstellungen am Versuchsstand getestet, die Daten statistisch ausgewertet und grafisch veranschaulicht werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil dokumentiert die detaillierte Durchführung der Versuche, den Umbau der Anlage, die spezifische Untersuchung der verschiedenen Brenner-Komponenten sowie die Analyse von auftretenden Problemen.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit charakterisieren?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Drallbrenner, Wasserstoffverbrennung, Rückschlaggrenze, Abblasgrenze und Brenneroptimierung charakterisieren.
Was besagt die erwähnte "2-Äste Theorie"?
Die Theorie besagt, dass eine Flamme bei identischer Konfiguration zwei verschiedene Stabilitätszustände (mit oder ohne Kernmassenstrom) einnehmen kann, wobei der genaue Grund für die Wahl eines Astes noch nicht vollständig geklärt ist.
Warum ist der Umbau des Versuchsstands so zeitaufwendig?
Der Umbau erfordert die Demontage komplexer mechanischer Bauteile wie Plenum, Düsen und Drallerzeuger, wobei präzise Handgriffe und Sicherheitsmaßnahmen (Computer-Sperrung, Gasfreischaltung) unerlässlich sind.
- Arbeit zitieren
- Paul Schmitgen (Autor:in), 2006, Experimentelle Bestimmung der Stabilitätsgrenzen von Drallbrennern, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/117634
