Druckgasfeuerung Ein Verfahren zum Betrieb von Gasfeuerstätten PDF
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OK 66.041.3,661.9 + 661.92 FORSCH U NGSBERICHTE DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS NORDRH EI N -WESTFALE N Herausgegeben von Staotssekretăr Praf. Dr. h. c. lea 8randt N,. 373 Dipl.-Ing. Hans Joachim Koch Druckgasfeuerung Ein Verfahren zum Betrieb von Gasfeuerstătten aus dem Gasworme-Institut Essen Wissenschaftliche leitung: Praf. Or.-1n9. F. Schuster Ais MClnuskript gedruckt Springer Fachmcdien Wiesbaden GmbH 1957 ISBN 978-3-663-03577-0 ISBN 978-3-663-04766-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-04766·7 Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen G 1 i e d e run g I. Brenntechnische Eigenschaften von Gasen · · · · · · · s. 5 . II. Warmekonzentration · · · · · · · s. 1 . III. Warmetibergang · · · · · · S • 10 . . . IV. Mischgerat · · · · · · · · · · · · · s. 13 V. Vollgemischbrenner · · · · s. 15 VI. Untersuchung tiber den Warmetibergang von . . Warmluft in Rohren · · · · · · · · · · s. 11 s. VII. Untersuchungen tiber die Warmekonzentration 23 . VIII. Zusammenfassung · · · · · · · · · · s. 26 • Seite 3 Forsohungsberiohte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen I. Brenntechnische Eigenschaften von Gasen Die in allen brennbaren Gasen vorhandene Warmeenergie ist chemisch ge bunden. Diese Energiemenge kann freigemacht werden, wenn man jedem Gas teilchen eine bestimmte Sauerstoffmenge zuftihrt und den Verbrennungsab lauf in Gang setzt. Dies kann auf katalytischem Wege geschehen oder mit tels Ztindquelle. In jedem FaIle muB eine ganz bestimmte Temperatur - die Ztindtemperatur - erreicht werden, um das Gas-Sauerstoff- bzw. Gas-Luft gemisch zur Reaktion zu bringen. In nachfolgender Tabelle sind einige niedrigste Ztindtemperaturen reiner Gase und technischer Gase in Mischung mit Luft oder Sauerstoff bei Atmospharendruck aufgeftihrt. Tab ell e 1 Niedrigste Ztindtemperaturen mit Gas Luft Sauerstoff °c °c Wasserstoff 510 450 Kohlenoxyd 610 590 Methan 645 645 Propan 510 490 Leuchtgas 560 450 Nach der Ztindung pflanzt sich die Verbrennung des brennfahigen Gas-Luft bzw. Gas-Sauerstoff-Gemisches mit einer bestimmten Geschwindigkeit fort. Die Geschwindigkeit ist die Ztindgeschwindigkeit. Sie wird gemessen in em/sec und ist im wesentlichen abhangig von der Art des Brenngases und von dem prozentualen Anteil der Luft bzw. des Sauerstoffes im Gemisch mit Gas. In Abbildung 1 (s. Seite 6) sind einige Ztindgeschwindigkeitskur ven in Abhangigkeit vom prozentualen Anteil des Gases im Gemisch mit Luft aufgetragen. Aus der Abbildung ist ersichtlich, daB bei den technischen Gasen die hochste Ztindgeschwindigkeit kurz unterhalb der theoretischen Luftzumischung liegt. Die GroBe der Ztindgeschwindigkeit eines Gas-Luft Gemisches ist von wesentlicher Bedeutung ftir das brenntechnischer Ver halten eines Gases. 1st die Ausstromgeschwindigkeit kleiner als die Ztindgeschwindigkeit, so schlagt bei einem Brenner die Flamme zurtick; liegt die Ausstromgeschwindigkeit dagegen bedeutend tiber der Ztindge- Seite 5 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen cm/s 280 I W rstoff 260 SSE ~ J ~ 240 / \ 220 / \ 200 ;:j \, J +>180 •. -1 Q) Wa ser-gas I'"'- 'tb160 I 1\ ~ •. -1 'g140 rr \ \ • .-1 ACE tyl en ~120 \ \ o '- ~100 ' bo \ \ \ :'s;0:::j 80 Stein-KS\t ant lQ-R. A \\ '' N 60 Ik..o.h P. ;,:J \ f gas \ ' \ 40 :h\lt K-ol lenoxy ~ \ I,, r e N , \ 20 \ \ I, \ ~ i. \~ o --- % 10 20 30 40 50 60 70 80 Gas im Gemisch mit Luft A b b i 1 dun g 1 Ztindgeschwindigkeit von Gas-Luft-Gemischen schwindigkeit, so reiBt die Flamme vom Brenner- bzw. Dtisenmund abo Aus der Abbildung ist weiterhin ersichtlich, daB bestimmte Gas-Luft-Gemische nur innerhalb bestimmter Grenzen ztindfahig sind. Die Zumischungsgrenzen, innerhalb derer ein Gas-Luft-Gemisch geztindet werden kann, sind die % % Ztindgrenzen. Diese liegen z.B. beim Ferngas bei 5 und 35 Gas im Gemisch mit Luft. Man unterscheidet grundsatzlich zwei Arten von Verbrennungsvorgangen 1. Verbrennung ohne Sauerstoff-(Luft-)Vormischung 2. Verbrennung mit Sauerstoff-(Luft-)Vormischung Fall I wird hauptsachlich in manchen hauslichen Gasgeraten (z.B. Warm wasserbereitern) verwirklicht, wahrend Fall 2 in industriellen Gasfeu erstatten tiberwiegt. Seite 6 Forsohungsberiohte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen II. Warmekonzentration 1. Verbrennung ohne Sauerstoff-(Luft-) Vormisehung Tritt ein sauerstoffreies brennbares Gas aus einer Duse oder einer Brennoffnung aus, so kann ein zundfahiges Gemiseh erst dadureh entste hen, daB die umgebende Luft in das Gas eintritt. Dies gesehieht teils dureh Diffusion, teils aber aueh dureh den mit grosser kinetiseher Ener gie austretenden Gasstrahl und der damit verbundenen Injektorwirkung, die eine Verwirbelung des Gases mit der Luft hervorruft. Die Verbrennung erfolgt also immer nur in einer Grenzsehieht. Man muB demnaeh in Gas feuerstatten, die mit Leuehtflammenbrennern betrieben werden, dafur Sor ge tragen, daB die Luftoffnungen genugend groB sind, und um einen voll sta.ndigen Ausbrand zu gewahrleisten, die Verbrennungsriume eine ent spreehende Hohe aufweisen, da die Flammenlange wesentlieh von der Gute der Luft-Gasmisehung abhangig ist. Zu diesem Naehteil der grossen Feuerraume kommt noeh bei Leuehtflammen die geringe Temperaturentwieklung der Flamme hinzu. Je mehr Brennstoff von einem bestimmten Heizwert in der Zeiteinheit vollstandig verbrannt wird, desto hoher ist aueh die Flammentemperatur. Die Verbrennungsge sehwindigkeit innerhalb der Grenzsehieht einer Leuehtflamme ist natur gemaB (geringer Luftanteil) niedrig. Bei teehnisehen Gasen, die Kohlen stoffverbindungen enthalten, wird ausserdem die Flammentemperatur da dureh gesenkt, daB die sehweren Kohlenwasserstoffe innerhalb der Ge misehzone durch die dort herrsehende Warme zersetzt werden, bevor sie in ihrer ursprungliehen Struktur mit dem Luftsauerstoff reagieren konn ten. Der dabei freiwerdende Kohlenstoff verbrennt sehwerer und langsa mer als die verbrennungsreifen Gase Wasserstoff oder Kohlenoxyd, so daB er sieh zum Teil als RuB niedersehlagen kann. Ein Teil der im Brenngas enthaltenen Energie geht dann verloren. Die Warmekonzentration, die als Warmemenge je Raumeinheit definiert ist, muB also bei einer Leuehtflamme aus eben genannten Grunden geringer sein als bei einer Bunsenflamme. 2. Verbrennung mit Sauerstoff-(Luft-) Vormisehung Die Vormisehung von Sauerstoff (Luft) zu Brenngasen kann entweder dureh die Injektorwirkung des Gasstrahles erreieht werden (z.B. bei Koehbren- Sei te 7 Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen nern von Gasherden) oder durch Zusatz aus einer Luftleitung in gemesse ner Menge bezw. konstantem Mischungsverhaltnis zur Gasmenge. Bei der sogenannten vollstandigen Verbrennung ist mit einer Luftzahl n = 1 wird jedem Gasvolumen die theoretisch gerade notwendige Luft bzw. Sauerstoffmenge vorher zugemischt. Infolgedessen ist die gesamte Gemischmenge reaktionsausgeglichen; die Ztindgeschwindigkeit, die Warme konzentration und die Flammentemperatur ereichen ein Optimum. Mischt man einem vorgegebenen Gasvolumen mehr Luft bzw. Sauerstoff als theoretisch notwendig (n> 1) zu, konnen die tiberschtissigen Sauerstoff teilchen nicht mehr mit dem Gas reagieren. Die Flamme wird abgektihlt, da ein Teil der erzeugten Warme zur Aufheizung des Lufttiberschusses verbraucht wird. Reicht die zugemischte Sauerstoff- bzw. Luftmenge nicht aus, eine voll < standige Verbrennung zu erzielen ( n 1), so kann ein Teil der Gas menge nicht ausbrennen, sofern nicht Sekundarluft ftir eine Nachverbren nung zur Verftigung steht. Ein Teil der chemisch gebundenen Warmemenge geht verloren, und ausserdem tritt dazu noch eine Verminderung der Flam mentemperatur und damit der Warmekonzentration ein, da in diesem Fall das unverbrannte Gas mit aufgeheizt werden muB. Die atmospharische Luft ist in der Regel der den zur Verbrennung not wendigen Sauerstoff liefernde Reaktionspartner der Brennstoffe. Sie be steht im trockenen Zustand mit einer ftir technische Zwecke ausreichen den Genauigkeit aus 21,0 Vol-% Sauerstoff und 79,0 Vol-% (atmosphari schem) Stickstoff. Aufgrund dieser Zusammensetzung kommen in der Luft auf 1 Nm3Sauerstoff 3,76 Nm3 Stickstoff, entsprechend 4,76 Nm3 Luft. Da der Luftstickstoff im allgemeinen als Ballast gilt, der unter anderem auch die Verbrennungstemperatur herabsetzt, ftigt man ftir manche techni schen Zwecke der Luft Sauerstoff zu (sauerstoffangereicherte Luft), oder, wenn besonders hohe Temperaturen erzielt werden mtissen (SchweiBen, Schneiden, Brennharten), arbeitet man mit technisch reinem Sauerstoff als Reaktionspartner. Bei der Verbrennung verschiedener Brennstoffe ergeben sich erstens mit der Brennstoffart individuell verschiedene und zweitens, wie eben an gedeutet, mit den Verbrennungsbedingungen (GroBe der Luftzahl, Grad der Vorwarmung, Warmeableitung aus dem Verbrennungsraum) wechselnde Ver- Seite 8 Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen brennungstemperaturen. Fur den Vergleich der Brennstoffe und der Wirkung des Luftuberschusses sowie der Vorwarmung hat man den Begriff der theo retischen Verbrennungstemperatur eingefuhrt. Man versteht darunter die Temperatur, die von einem Gas bei seiner Verbrennung erreicht werden wlirde, wenn sie adiabatisch erfolgte. Bei dieser "adiabatischen Ver brennung" wird die gesamte freiwerdende Warme von den Verbrennungsgasen aufgenommen gedacht, ohne Warmeabgabe an die Umgebung, aber auch ohne Warmeaufnahme aus der Umgebung. Die theoretische Verbrennungstemperatur ergibt sich nach der Gleichung Hu + Q t v v Darin bedeuten: 3 Hu (unterer) Heizwert des Brenngases in kcal/Nm 3 Qv durch Vorwarmung je Nm Brenngas eingebrachte Warmemenge in kcal v die aus I Nm3 bei gegebener Luftzahl n entstehende feuch 3 te Verbrennungsgasmenge in Nm mittlere spez. Warme (unter konstantem Druck) der Ver brennungsgase(feucht) zwischen oOe und der Verbrennungs o 3 temperatur t in kcal/ e.Nm v Wenngleich diese Funktion nicht ohne weiteres zu losen ist - in der Praxis wird zur Losung meistenteils das zeichnerische Verfahren mit Hil fe des i,t-Diagrammes verwandt - so ist generell doch folgendes zu er sehen: Eine feststehende GroBe des vorgegebenen Brenngases ist der untere Heiz wert (Hu). Anders ist es mit der fuhlbaren Warme (Q ), die durch Vor- v warmung des Gases bzw. der Luft oder beider Anteile eingebracht wird, der mittleren spezifischen Warme der Verbrennungsgase (c ) und der Pm Verbrennungsgasmenge (V). Die Hohe der Vorwarmung des Gases bzw. der Luft ist einerseits technisch bedingt durch die Leistung der Warmeaus tauscher, andererseits darf sie auch bei der Vorwarmung von technischen Brenngasen, welche Kohlenwasserstoff enthalten, nicht uber etwa 400 - 5000C zerfallen und die Zerfallsprodukte (Kohlenstoff, RuB) sich im War meaustauscher oder Brenner ablagern. Dadurch kommt es zu unangenehmen Seite 9 Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen Storungen. Die Warmekapazitat der Abgase (V xc) untergliedert sich Pm infolge der unterschiedlichen spezifischen Warmen der Einzelgase wie folgt: +... c Pm Daraus ist ersichtlich, daB bei einer Verbrennung mit LuftliberschuB V • c sehr groB wird. Bei unvollstandiger Verbrennung - also bei Luft- Pm unterschuB - dagegen kann nicht mehr der volle untere Heizwert des Brenngases in die Formel zur Errechnung der theoretischen Verbrennungs temperatur eingesetzt werden, da ja ein Teil der gebundenen Warmeenergie garnicht ausbrennen kann. Beide Fahrweisen sind aber zur Erzielung hoher Temperaturen und damit groBer Warmekonzentrationen ungeeignet. Falls das zu erwarmende Gut eine neutrale Ofenatmosphare vertragen kann, erreicht man den hochsten Nutzeffekt der Erwarmung mit der Zumischung der zur vollstandigen Verbrennung gerade notwendigen theoretischen Luftmenge. III. Warmelibergang Die im Verbrennungsgas enthaltene flihlbare Warme wird an das Warmgut und die Of enw an de nach dem Gesetz des Warmeliberganges libertragen. Grund satzlich kann die Dbertragung der Warme auf drei Arten erfolgen, durch 1. Leitung 2. Konvektion 3. Strahlung In hauslichen Feuerstatten und Geraten spielen die 1. und 3. Art der Warmelibertragung eine untergeordnete Rolle; der konvektive Warmelibergang liberwiegt. Bei industriellen Feuerungen steigt mit der Arbeitstemperatur der Strahlungsanteil an. Die Warmelibertragung durch Konvektion ist stets an innere Bewegung der warmelibertragenden Stoffe geknlipft, die immer neue Stoffteilchen an die zu beheizende oder zu klihlende Flache bringt. Man unterscheidet die freie Konvektion und die erzwungene. Reine Konvek tion herrscht bei der reinen Auftriebsbewegung, von einer erzwungenen redet man dann, wenn die innere Bewegung etwa durch ein von auGen er zeugtes Druckgefalle hervorgerufen wird. Nach diesen Ausflihrungen leuch tet es ohne wei teres ein, daB die Warmelibertragung durch Konvektion auf das engste mit dem Stromungszustand verknlipft ist. Bei seinen grundle- Seite 10 Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen genden Versuchen entdeckte REYNOLDS, daB zwei verschiedene Stromungsvor gange vorkommen konnen: Die laminare und die turbulente Stromung. Der Umschlag von der laminaren in die turbulente tritt immer dann ein, wenn ein bestimmter Kennwert R groBer als 2320 ist. Hierbei ist w (m/h) Geschwindigkeit des stromenden Mediums bezogen auf o oOe und 760 Torr ° r 0 (kg/Nm3) o Wichte des Mediums bezogen auf C und 760 Torr d (m) Rohrdurchmesser l! (kg/mh) kinematische Zahigkeit des Mediums Sehr stark abhangig von der Stromungsform ist auch der Druckabfall. Wahrend er bei laminarer Stromung proportional der durchstromenden Men ge ist, wird der Reibungswiderstand bei turbulenter Stromung im Rohr au genblicklich viel groBer, so daB der Druckabfall bei turbulenter Stro mung fast proportional dem Quadrat der durchstromenden Menge ist. Zu den wichtigsten Begriffen der Warmetibergangstechnik gehort die Warme Es ist diejenige Warmemenge, die von dem Warme abgeben tibergangszahl~. den Mittel an 1 m2 Oberflache in 1 h bei einem Temperaturunterschied von 10C abgegeben wird. Die insgesamt an eine Flache F (m2) in z h bei einem Temperaturunterschied zwischen Heizflache und Heizmittel abgegebene War memenge ist dann Q = ~ (tl - t 2) F • z (kcal) Bei Vergleichsversuchen ist also nur ~ (t1 - t 2) von entscheidender Be deutung, da aIle anderen Werte konstant gehalten werden konnen. Aus Ver suchen ermittelt, ergibt sich in Rohren bei konvektiver Warmetibertragung nach A. SCHACK ftir die Warmetibergangszahl folgende Formel: 0,75 w cx.k 20,9 . c 0,77 . ).. 0,23 . o p ------ dO,25 Sei te 11
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