TY - THES

T1 - Numerische Untersuchung des Wärmetransports in einem additiv-gefertigten MW-Brenner für Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung unter sukzessiver Erhöhung der Sauerstoffkonzentration

AU - Paulitsch, Nina Viola Maria

N1 - gesperrt bis 11-11-2029

PY - 2024

Y1 - 2024

N2 - Bei der Verbrennung von Wasserstoff wird kein Kohlendioxid freigesetzt, jedoch entstehen durch die hohen Temperaturen Stickoxide, wenn als Oxidationsmittel Luft verwendet wird. Der Betrieb mit reinem Sauerstoff bietet den Vorteil, dass Stickoxid-Emissionen vermieden werden können bei gleichzeitiger Senkung des Brennstoffverbrauchs. Eine innovative, zweistufige Brennergeometrie, ausgelegt für den Wasserstoff-Luft-Betrieb im Megawatt-Bereich, wird nun hinsichtlich der Betriebsweise mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung untersucht. Der Brenner ist so ausgelegt, dass eine abgehobene, aerodynamisch stabilisierte Flamme entfernt vom Brennerauslass entsteht. Dadurch wird die thermische Belastung der Brennerwände minimiert, was besonders im Sauerstoffbetrieb von großer Bedeutung ist. Ziel der Studie ist die Validierung der Brennergeometrie für den Sauerstoffbetrieb durch reaktive, numerische Simulation. Der Fokus liegt dabei auf der thermischen Belastung der Brennerwände, wobei die maximal zulässige Wandtemperatur mit 750 °C festgelegt wurde. Die Flamme wird über einen stationären Flamelet-Ansatz charakterisiert. Die Brennerwände sind als Feststoff ausgeführt und der Wärmefluss erfolgt bidirektional. Der Luftbetrieb dient als Referenz für die weiteren Betriebszustände mit steigender Sauerstoffkonzentration (30 vol.-%, 50 vol.-%, 100 vol.-%) wobei zusätzlich eine in der Industrie angewendete Methode zur Flammentemperaturkontrolle bei Sauerstoffbetrieb über Rauchgasrückführung simuliert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die thermische Belastung der Brennerwände im Luftbetrieb im Toleranzbereich liegt. Ein kurzzeitiger Betrieb für etwaige Experimente mit 30 vol.-% Sauerstoff-angereicherter Luft sowie der Betriebsfall mit Rauchgasrückführung sind möglich, während ab einem Sauerstoffanteil von 50 vol.-% in der Luft die maximal zulässige Wandtemperatur des Brenners deutlich überschritten wird. Entgegen den Erwartungen bildet sich keine abgehobene, aerodynamisch stabilisierte Flamme aus, sondern die Flamme verankert sich an den Brennstoffinjektoren. Zum Zeitpunkt dieser Studie liegen noch keine experimentellen Daten vor. Eine Gegenüberstellung der simulierten und experimentellen Daten ist aber angedacht, wobei der Fokus auf der Untersuchung der tatsächlichen Flammenform und -position sowie des turbulenten Mischprozesses liegt.

AB - Bei der Verbrennung von Wasserstoff wird kein Kohlendioxid freigesetzt, jedoch entstehen durch die hohen Temperaturen Stickoxide, wenn als Oxidationsmittel Luft verwendet wird. Der Betrieb mit reinem Sauerstoff bietet den Vorteil, dass Stickoxid-Emissionen vermieden werden können bei gleichzeitiger Senkung des Brennstoffverbrauchs. Eine innovative, zweistufige Brennergeometrie, ausgelegt für den Wasserstoff-Luft-Betrieb im Megawatt-Bereich, wird nun hinsichtlich der Betriebsweise mit einer Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung untersucht. Der Brenner ist so ausgelegt, dass eine abgehobene, aerodynamisch stabilisierte Flamme entfernt vom Brennerauslass entsteht. Dadurch wird die thermische Belastung der Brennerwände minimiert, was besonders im Sauerstoffbetrieb von großer Bedeutung ist. Ziel der Studie ist die Validierung der Brennergeometrie für den Sauerstoffbetrieb durch reaktive, numerische Simulation. Der Fokus liegt dabei auf der thermischen Belastung der Brennerwände, wobei die maximal zulässige Wandtemperatur mit 750 °C festgelegt wurde. Die Flamme wird über einen stationären Flamelet-Ansatz charakterisiert. Die Brennerwände sind als Feststoff ausgeführt und der Wärmefluss erfolgt bidirektional. Der Luftbetrieb dient als Referenz für die weiteren Betriebszustände mit steigender Sauerstoffkonzentration (30 vol.-%, 50 vol.-%, 100 vol.-%) wobei zusätzlich eine in der Industrie angewendete Methode zur Flammentemperaturkontrolle bei Sauerstoffbetrieb über Rauchgasrückführung simuliert wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die thermische Belastung der Brennerwände im Luftbetrieb im Toleranzbereich liegt. Ein kurzzeitiger Betrieb für etwaige Experimente mit 30 vol.-% Sauerstoff-angereicherter Luft sowie der Betriebsfall mit Rauchgasrückführung sind möglich, während ab einem Sauerstoffanteil von 50 vol.-% in der Luft die maximal zulässige Wandtemperatur des Brenners deutlich überschritten wird. Entgegen den Erwartungen bildet sich keine abgehobene, aerodynamisch stabilisierte Flamme aus, sondern die Flamme verankert sich an den Brennstoffinjektoren. Zum Zeitpunkt dieser Studie liegen noch keine experimentellen Daten vor. Eine Gegenüberstellung der simulierten und experimentellen Daten ist aber angedacht, wobei der Fokus auf der Untersuchung der tatsächlichen Flammenform und -position sowie des turbulenten Mischprozesses liegt.

KW - Wasserstoffbrenner

KW - sauerstoff-angereicherte Luft

KW - Sauerstoff-Betrieb

KW - Flamelet-Modell

KW - CFD-Studie

KW - Wärmetransport

KW - hydrogen burner

KW - oxygen-enriched air

KW - oxygen operation

KW - flamelet model

KW - cfd study

KW - heat transfer

U2 - 10.34901/mul.pub.2025.045

DO - 10.34901/mul.pub.2025.045

M3 - Masterarbeit

ER -