CFD-Simulationen zur Entwicklung einer neuen Brennkammer für feste Biomasse


Die Bedeutung dezentralisierter Energiegewinnung durch Biomasseverbrennung hat in den letzten Jahren zugenommen. Dies ist das Ergebnis eines zunehmenden CO2-Bewusstseins, sowie hoher Preise für fossile Brennstoffe. Die Verwendung biogener Brennstoffe bietet vor allem in Hinblick auf CO2-Emmissionen viele Vorteile. Die Entwicklung geeigneter Konstruktionen von Verbrennungssystemen für diese Brennstoffe ist ziemlich herausfordernd, kostenintensiv und oft auch sehr zeitintensiv. Daher ist die Anwendung hochentwickelter Simulationswerkzeuge wie CFD gerade in der Frühphase von entscheidender Bedeutung.


Prozessablauf der Verbrennungsanlage (a) und Konstruktion der Verbrennungskammer (b)

 

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer innovativen Verbrennungskammer mit einer Leistung von 500kW, welche mit festen Biobrennstoffen in Form von komprimierten Strohballen betrieben wird. Es müssen verschiedene Umstände bezüglich der Konstruktion bedacht werden, um eine stabile Ballenverbrennung zu garantieren und Gasemissionen wie flüchtiger organischer Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickstoff zu reduzieren. Die Bestimmung von essentiellen Verbrennungsparametern wie der Verweilzeitverteilung, dem Mischverhalten von Rauchgasen mit Sekundärluft und die Temperaturverteilung wird mittels CFD erreicht.


ζ -Wert in Relation zur Blendenöffnung

 

Durch die Ergebnisse der Simulation kann unter Anwendung eines iterativen Ansatzes ein geeignetes Design der individuellen Verbrennungszonen entwickelt werden. Weiters werden Experimente durchgeführt, um eine Validierung und Kalibrierung der Rechenmodelle und ihrer Parameter zu ermöglichen. Um die Steuerungs- und Regelungstechnik zu verbessern, werden Fertigteile der Anlage, wie etwa Ventile für frische und vorgewärmte Luft, mittels CFD-Simulationen und Experimenten untersucht. Die Ergebnisse werden verwendet, um die Regelung von frischen und vorgewärmten Gasströmen – welche wesentlich sind, um eine stabile Feuerungsleistung zu erbringen – zu konzipieren und zu verbessern.

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