Der Einsatz druckaufgeladener zirkulierender Wirbelschichten als Feuerungssystem fuer Festbrennstoffe (Kohle) erlaubt den Einsatz des Gasturbinenprozesses. Hierdurch ist es moeglich, den Wirkungsgrad kohlegefeuerter Kraftwerke zu erhoehen. Die zirkulierende Wirbelschicht ihrerseits erlaubt durch Zugabe von Kalkstein in den Feuerungsraum eine In-situ-Entschwefelung. Die niedrige Feuerraumtemperatur ist ursaechlich fuer geringe Stickoxidemissionen, so dass nachgeschaltete Reinigungsanlagen nicht erforderlich sind. Im Forschungsvorhaben werden an einer kaltbetriebenen zirkulierenden Wirbelschicht die bis zu einem statischen Druck von 60 bar betrieben werden kann, Untersuchungen zur Stroemungsmechanik und Waermeuebergang durchgefuehrt. Es zeigt sich, dass gegenueber atmosphaerisch betriebenen zirkulierenden Wirbelschichten ein geaenderter Stroemungszustand auftritt und der wandseitige Waermeuebergang verbessert ist.
Es werden experimentelle und theoretische Untersuchungen zum pneumatischen Transport von pulverfoermigen Stoffen durchgefuehrt. In Abhaengigkeit von der Feststoffbeladung, den thermodynamischen Zustandsgroessen und den Massenstromdichten treten auch bei solchen Gas-Feststoffstroemungen Zustaende auf, bei denen die sogenannte kritische Massenstromdichte erreicht wird, d.h. auch bei weiterer Druckabsenkung am Rohraustritt kann keine weitere Steigerung der Durchflussraten erreicht werden. Zusaetzlich werden prinzipielle Fragestellungen zum Waermeuebergang bei derartigen Stroemungen untersucht.
Entwicklung eines Kalium-Sattdampf-Vorschaltprozesses vor einem konventionellen Wasser-Dampf-Prozess. Mit diesem Verfahren lassen sich bei Gas- oder Oelfeuerung Wirkungsgrade ueber 55 v.H., bei Kohlefeuerung ueber 50 v.H. erreichen. Untersuchung des Materialverhaltens in Kalium bis 900 Grad Celsius. Entwicklung von Komponenten und Studium des Betriebsverhaltens.
Die stark chlorierten Fluorkohlenwasserstoffe (R11, R12, etc), die derzeit als Arbeitsmittel in Kaelteanlagen und bei der Herstellung von Isolierschaeumen Verwendung finden, sollen in absehbarer Zeit durch andere Substanzen ersetzt werden. Fuer die Auslegung von Kaeltemittelverdampfern und -Kondensatoren, aber auch fuer die Anwendung von Isolierschaeumen, ist - neben anderen Stoffeigenschaften - die Kenntnis der Waermeleitfaehigkeit von wesentlicher Bedeutung. Hierfuer liegen bislang kaum Messdaten vor; dies gilt fuer reine Stoffe wie auch fuer Gemische. Aus diesem Grund soll - zunaechst fuer R123 und R134a, spaeter auch fuer andere interessierende Ersatzstoffe - die Waermeleitfaehigkeit - im fluessigen Zustand (gesaettigt und unterkuehlt), - im dampffoermigen Zustand (gesaettigt und ueberhitzt) mit Hilfe des instationaeren Heissdraht-Verfahrens gemessen werden.
Bei der Aufheizung von metallischen und keramischen Guetern in Industrieoefen kommt eine Vielzahl von Feuerraum- und Brennerkonstruktionen zum Einsatz. Ihre Gestaltung bzw. Auswahl orientierte sich bislang hauptsaechlich an den prozessspezifischen Erfordernissen der Erwaermungsaufgabe. An den Erwaermungstechnologien und Brennerkonstruktionen konnten in den letzten Jahren deutliche waerme- bzw. feuerungstechnische Verbesserungen erzielt werden. Eine Optimierung der Feuerraumkonstruktion hinsichtlich effektiverer Waermeuebertragung bei gleichzeitig minimierter NOx-Emission hat nicht in gleichem Masse stattgefunden. Eine Moeglichkeit zur Optimierung der Feuerraumgeometrie und Brenneranordnung unter Beruecksichtigung veraenderbarer geometrischer und prozesstechnologischer Parameter besteht in der komplexen mathematischen Modellierung der im Ofenraum ablaufenden Prozesse. Aufbauend auf Modellentwicklungen am Institut fuer Apparate- und Umwelttechnik der Universitaet Magdeburg (IAUT) und des Gaswaerme Instituts e.V. Essen (GWI) soll dieses komplexe Ofenraummodell die Feldverteilungen der Stroemungsgeschwindigkeit, der Gaskonzentrationen sowie der Temperatur beschreiben und damit u. a. eine Vorausberechnung der Waermeuebertragung von Flammen an das Waermgut und die damit einhergehende NO-Bildung ermoeglichen. Durch gezielte Varianten-Rechnungen mit unterschiedlichen geometrischen und feuerungstechnischen Parametern koennen dann fuer einen konkreten Ofentyp beispielsweise die optimale Feuerraumgeometrie und Brenneranordnung sowie die emissionsminimierende Ofenfahrweise simultan ermittelt werden. Das entwickelte Modell ist fuer kontinuierlich arbeitende Aufheizoefen vorgesehen, soll aber auch fuer instationaere Aufheizvorgaenge ausgebaut werden. Die geplanten experimentellen und Modell-Untersuchungen wurden bis zum 31. 12. 93 abgeschlossen und ausgewertet. Anhand der im ausfuehrlichen Zwischen- und Abschlussbericht dargestellten Ergebnisse laesst sich schlussfolgern, dass die Forschungsziele erreicht wurden. Mit Hilfe des entwickelten komplexen mathematischen Modells, das mit Erfolg fuer zwei halbtechnischen Brennkammern zur Vorausberechnung der Temperatur- und Waermestromverteilung sowie der NO-Bildung benutzt wurde, lassen sich quaderfoermige, (quasi-)stationaer betriebene Guterwaermungsoefen hinsichtlich ihrer Geometrie und Brenneranordnung optimieren. Dies ist beispielsweise durch gezielte Varianten-Rechnungen mittels Such-Schritt-Optimierungsmethoden moeglich.
Waehrend sowohl ueber die rein konvektive Wirbelschichttrocknung wie auch ueber die Waermeuebertragung von einer Heizflaeche an trockenes, inertes Wirbelgut zuverlaessige Kenntnisse existieren, wird der kombinierte Fall der Wirbelschichttrocknung mit indirekter Beheizung erst in diesem Projekt systematisch untersucht. Es gilt herauszufinden: a) wie sich die Verdunstung (die Waermesenke in den Partikeln) auf den Waermeuebergang Heizelement-Bett auswirkt; b) wie die indirekte Energiezufuhr bei der Modellierung des Prozesses am besten beruecksichtigt werden kann. Beheizbare Einbauten werden in Wirbelschichtapparaten haeufig eingesetzt, oft sind sie die einzige Moeglichkeit zur nachtraeglichen Kapazitaetserhoehung.
Die Russbildung in hochbelasteten Gasturbinen-Brennkammern sowie die Strahlungsbelastung der Brennkammerwaende wird entscheidend von den Betriebsparametern - in erster Linie Druck, Brennstoffart, Zerstaeubung und Temperatur - beeinflusst. Im Rahmen des Projektes werden Berechnungsverfahren fuer den Strahlungsaustausch entwickelt, die sich in realen Brennkammern mit inhomogenen Temperatur-, Druck- und Spezieskonzentrationsfeldern anwenden lassen. Aussagen ueber die Strahlungsausbreitung in Brennkammern koennen durch Loesen der Strahlungstransportgleichung gewonnen werden. Diese kann allgemein nur durch Verwendung numerischer Methoden geloest werden. Die Abhaengigkeit der Strahlungsintensitaet von Raumwinkel wird einmal mit Hilfe eines Approximationsansatzes (Spherical Harmonics) und einmal unter Verwendung einer Kollokationsmethode (Discrete Ordinate) beruecksichtigt. Die am Institut fuer Thermische Stroemungsmaschinen durchgefuehrten Untersuchungen haben ergeben, dass befriedigende Loesungen fuer den Strahlungstransport die Einbeziehung des spektralen Strahlungsverhaltens strahlungsaktiver Gase (CO2, CO, H2O) erfordert. Es wurden Berechnungsverfahren entwickelt, die das spektrale Strahlungsverhalten der Gase in Abhaengigkeit von Druck und Temperatur wiedergeben. Die Ergebnisse wurden anhand experimenteller Untersuchungen ueberprueft. Das Strahlungsverhalten des Russes wird mit Hilfe der Rayleigh- und der Penndorf-Naeherung beschrieben. Interessant ist bei den Untersuchungen die Strahlungsbelastung der Brennkammerwaende. Hierzu werden Messungen durchgefuehrt, aus denen detaillierte Informationen ueber das spektrale Strahlungsverhalten gewonnen werden.
Siehe BMBF/BEO-Jahresberichte des FIZ-Karlsruhe, Buero Bonn, Mechenstr. 57, 53129 Bonn unter FKZ 0326760D.
Es soll an horizontalen Verdampferrohren der Effekt unterschiedlicher, elementarer Oberflaechenstrukturen im Groessenbereich deutlich unter 1 mm, die in regelmaessigen Anordnung auf glatte Rohre aufgebracht sind, untersucht werden. Die Strukturen sollen aus zwei Klassen bestehen: groessere, im Bereich zwischen 0,1 und 0,5 mm und kleinere mit charakteristischen Abmessungen weit unter 0,1mm. Der Rohrdurchmesser von 1 Zoll ist so ausgewaehlt, dass konvektive Einfluesse auf den lokalen Waermeuebergang am Rohrumfang deutlich hervortreten. Die beiden Strukturen sollen dazu dienen, Beitraege der Verdampfung an Blasenkeimstellen und konvektive Beitraege zum Waermeuebergang voneinander zu trennen. Als Rohrmaterial soll Cu und CuNi (90/10) und als siedende Fluessigkeit Propan, bzw. n-Hexan verwendet werden; in einer zweiten Stufe sollen die Versuche auf einen Alkohol und ein binaeres Stoffsystem ausgedehnt werden. Die Waermeuebergangsmessungen werden mit Hochgeschwindigkeitsvideoaufnahmen der Blasenbildung kombiniert, deren Auswertung gemeinsam mit anderen Projekten geschieht. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse die modellmaessige Beschreibung der thermischen Uebertragungsleistung, die parallel laufen soll, gestatten und dass daraus quantitative Hinweise fuer die Berechnung von Hochleistungsverdampferrohren zu gewinnen sind.
Entwicklung eines Rechencodes zur Modellierung kerntechnischer Lueftungssysteme und Bestimmung der Sicherheitsreserven der Schwebstoffilter nach einem schweren Stoerfall in einem Leichtwasserreaktor. Berechnung kompressibler, instationaerer Stroemung mit Waermeuebergang in verzweigten Lueftungssystemen. Verifikation des Stoerfallcodes in der Pruefanlage BORA. Entwicklung und Konstruktion einer Typ- und Serienpruefanlage zur Sicherung des Qualitaetsstandards der Schwebstoffilter.
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