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.
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.
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.
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.
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.
Die gefoerderte Forschungsarbeit im Vorhaben der Technologieentwicklung von schadstoffarmen Triebwerken bringt einen Beitrag fuer die treffsichere Auswahl und Auslegung von Hitzeschilden unter den komplizierten thermofluiden Bedingungen einer gestuften Brennkammer. Gegenstand der Untersuchungen waren die Waermeuebergangs- und Kuehlverhaeltnisse im Stirnwandbereich der Brenner. In Originalgroesse ausgefuehrte Stirnwandkuehlkonfigurationen wurden nach Wandtemperaturverteilungen und Hot Spot's beurteilt. An einem Heissluftmodell konnten die Auswirkungen der Reduzierung von Kuehlluft und veraenderten Rezirkulationsbedingungen in der Primaerzone auf das Wandtemperaturfeld untersucht werden. Darueber hinaus wird ein messtechnischer Beitrag zur Infrarotthermografie an Hitzeschilden und zur holografischen Interferometrie fuer die Totraumdetektion unzureichend durchstroemter Kuehlspaltbereiche erbracht.
Es wird der Einfluss des Rohrdurchmessers und der Berippung auf den Waermeuebergangskoeffizienten beim Blasensieden in einem weiten Druckbereich (von ca. 0,3 Prozent bis 80 Prozent des kritischen Druckes) an 4 Glattrohren unterschiedlichen Durchmessers (4 bis 90 mm) und jeweils 2 Rippenrohren unterschiedlicher Rippengeometrie bei einem grossen und kleinen Durchmesser untersucht. Dabei wird durch Sandstrahlen sowohl auf den Glatt- als auch auf den Rippenrohren eine einheitliche Oberflaechenrauhigkeit erzeugt, die in drei Stufen mit Mittenrauhwerten zwischen 0,2 bis ueber 10 Mikrometer variiert wird, um einerseits den Einfluss des Durchmessers und der Berippung vom Oberflaecheneinfluss zu trennen und andrerseits die Kenntnisse zum Oberflaecheneinfluss zu vertiefen. Als Versuchsfluessigkeiten werden die ozonunschaedlichen Kohlenwasserstoffe Propan bei hohen Druecken und n-Hexan bei niedrigen Druecken vorgesehen.
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