Synopse 1333

Experimentelle Analyse der Stromungs-, Reaktions- und Temperaturfelder einer Erdgas-Diffusionsflamme in einer zylindrischen Brennkammer"

Wolfgang Kohler, Bernhard Lenze und Wolfgang Leuckel**

Herrn Professor Dr.-Ing. Karl-August Wetjen zum 60. Geburtstag

1 Einleitung und Zielsetzung

Nahezu alle industriellen Ofenfeuerungen arbeiten mit einem kon- zentrischen Brennersystem, d. h. sie besitzen eine axiale Brennstoff- zufiihrung und eine konzentrische Zuleitung fur die zur Verbren- nung notwendige Luft. In demjenigen Teil des Feuerraums, der nicht vom Strahlsystem ausgefiillt ist, bildet sich ein Ruckstromgebiet aus (Abb. 1 ) . Im Ruckstromgebiet werden Rauchgase bzw. ein Gemisch von Rauchgasen und Luft von stromab gelegenen Zonen zuriick in Richtung Brenner transportiert und wieder in das Strahlgebiet einge- mischt, was zur Folge hat, daR dort die lokale Sauerstoff-Konzentra- tion verringed wird. Der hierdurch verursachte verzogerte Aus- brand findet Ausdruck in einer Verlangerung der Flamme und einer VergleichmaBigung der Temperaturprofile [l - 31. Zudem beeinflufit die Riickstromung weite Strahlbereiche beziiglich Turbulenzintensitat und Turbulenstruktur. Zum Verstandnis des Ruckstromeinflusses auf Strahlflammen ist daher sowohl die Kennt- nis der Mittelwerte von FeldgroRen wie Geschwindigkeit, Konzen- trationen und Temperaturen als auch ihrer SchwankungsgroDen in besonderem MaBe notwendig. Daneben sind Untersuchungen an isothermen Strahlen sinnvoll, um den EinfluR der Ruckstromung auf die Strahlturbulenz von reaktionsbedingten Einfliissen trennen zu konnen.

X, X,

.___-__- do di Kcnzen tr i sc her

Abb. 1. Stromlinien und Geschwindigkeitsprofile eines einge- schlossenen Einzelstrahls und eines konzentrischen Strahls; d Durchmesser, M Massenstrom, u Geschwindigkeit, x Koordinate in Langsrichtung; Index 0: Gas, Index 1 : Luft.

2 Versuchsaufbau und MeBtechnik

Die Messungen an Flammen und auch die isothermen Stromungs- untersuchungen wurden an einer senkrecht stehenden Brennkam-

* Vortrag von W. Kohler, auf dem Jahrestreffen der Verfahrens- Ingenieure, 19. bis 21. Sept. 1984 in Munchen.

** Dip].-Ing. W. Kohler, Dr.-Ing. habil. B. Lenze und Prof. Dr.-Ing. W. Leuckel, Engler-Bunte-Institut der Univ. Karlsruhe, Lehr- stuhl und Bereich Feuerungstechnik, Richard-Willstatter-Allee 5 , 7500 Karlsruhe 3 .

mer durchgefuhrt. Geschwindigkeitsmessungen in eingeschlossenen Strahlen stellen groI3e Anforderungen an das MeDsystem: In der Riickstromzone und teilweise auch im Strahlbereich treten sehr hohe Turbulenz-Intensitaten bzw. Turbulenzgrade auf. Ein Laser-Dopp- ler-Anemometer in Verbindung mit einem Counter Processor als Auswerteeinheit und mit einer Frequenz-Shiftung des Laser-Strahls stellt fur dieses MeBproblem die beste Losung dar. Bei den Tempera- turmessungen wurde die Dampfung des Thermoelements beziiglich Schwankungen hoherer Frequenz mit einem Eckfrequenzverteiler kompensiert. Dadurch wurde der Frequenzbereich des Thermoele- ments auf etwa 3000Hz erweitert.

3 MeBergebnisse

Abb. 2 stellt das Isotachen-Feld einer eingeschlossenen, konzentri- schen Flamme dar. Die LDA-MeRtechnik ermoglicht es, sehr exakt die Strahlgrenze zu bestimmen und die teilweise sehr niedrigen

1 60

V d O

140

120

100

8 0

60

40

2c

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 y/Q 22

Abb. 2. Isotachen einer eingeschlossenen konzentrischen Flamme.

0 80 1M 160 x/d, 200

Abb. 3. Axialer Turbulenzgradverlauf eines konzentrischen Frei- strahls, eines eingeschlossenen konzentrischen Strahls und einer eingeschlossenen konzentrischen Flamme.

258 Chem.-1ng.-Tech. 57 (1985) Nr. 3, S. 258-259 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim 1985 0009-286X/85/0303-0258$02.50/0

0 eingeschlossener Stmhl lo3 S-'

30 mhl [ nach Seifert 1

20

10

n "0 20 Lo 60 80 100 x/d, 120

Ll.>E

Abb. 4. strahls und eines eingeschlossenen konzentrischen Strahls.

Turbulente AustauschgroDen eines konzentrischen Frei-

Abb. 5. Spitzentemperaturen.

Isolinien der mittleren Temperatur und der momentanen

Geschwindigkeiten zu erfassen. Der Strahlwinkel ist bis zu x/d, = 6 0 nahezu identisch mit dem Freistrahlwinkel, nimmt aber weiter stromab deutlich ab. Fur diesen Bereich 1aRt sich ein Freistrahlwin- kel von etwa 12" angeben. In Abb. 3 ist der Turbulenzgradverlauf auf der Achse fur die eingeschlossene Flamme sowie den freien und eingeschlossenen isothermen Strahl dargestellt (Vergleichswerte fur den isothermen Freistrahl nach Seijert [4]). Ab der Koordinate x/d, = 40 unterscheiden sich beide Strahlen bezuglich des Turbu-

lenzgrades deutlich. Die Riickstromungsturbulenz intensiviert die Turbulenz im eingeschlossenen Strahl. Makro- bzw. MikromaRe ermoglichen es, die Struktur der Turbu- lenz zu beschreiben. Bei Messungen im eingeschlossenen Strahl zeigte es sich, daR ab der Koordinate x/d, = 40 bei beiden Turbulenz- maBen eine deutliche Erhohung auftrat, d. h. im eingeschlossenen Strahl findet man grobballigere Turbulenz vor. Nach Prandtl kann die turbulente ImpulsaustauschgroDe E , als Produkt aus einer SchwankungsgroRe der Geschwindigkeit mit einem LiingenmaR bestimmt werden. Lenze [S] fand, daD das Mikro- maD in turbulenten Diffusionflammen hauptsachlich den turbulen- ten Austausch bewirkt. Abb. 4 zeigt, daR die turbulenten Diffusionszahlen infolge Riickstro- mungseinfluD etwa den 2,Sfachen Wert im Vergleich zum Freistrahl annehmen. Abb. 5 zeigt die Temperaturfelder einer eingeschlossenen Flamme beziiglich der mittleren Temperatur T und der momentanen Spitzen- temperatur T,,,,,. Beim Vergleich der mittleren Temperaturen rnit der Spitzentemperatur zeigt sich, daD das Auftreten der maximalen mittleren Temperaturen nicht mit den maximalen Temperaturen zusammenfallt, was fur die reaktionskinetischen Betrachtungen von Wichtigkeit ist.

Die Verfasser danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) fur die im Rahmen des Forschungsvorhabens ,,Turbulenz in Brennkammerflammen" bereitgestellten Mittel, die diese Untersu- chungen ermoglichten.

Eingegangen am 14. Dezember 1984

Literatur

[l] Lenze, B.: Habilitationsschrift, Univ. Karlsruhe 1980. [2] Seif ir t , H . : Dissertation, Univ. Karlsruhe 1979. [3] Lenze, B. : Nineteenth Symposium (International) on Combus-

tion, S. 565, The Combustion Institute, 1982. [4] Seifert, H.: Dissertation, Univ. Karlsruhe 1979. [5 ] Lenze, B.: Dissertation, Univ. Karlsruhe (TH) 1971.

Schliisselworte: Brennkammerflammen, Riickstromung, Reaktions- verlauf, Turbulenz, Temperaturfelder.

Chem.-1ng.-Tech. 57 (1985) Nr. 3, S. 258-259 259