Flammenstabilität bei Gasbrennern mit Gebläse PDF
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FORSCHUNGS BERICHT DES LANDES NORDRHEIN -WESTF ALEN Nr. 2567 jFachgruppe Energie Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn vom Minister für Wissenschaft und Forschung Johannes Rau Prof. Dr. -Ing. Hans Kremer Dr. -Ing. Ekkehard Minx Dipl. -Ing. Rudolf Rawe v., Gaswärme-Institut e. Essen Flammenstabilität bei Gasbrennern mit Gebläse Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH © 1976 by Springer Fachmedien Wiesbaden Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, Op1aden 1976 Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag ISBN 978-3-531-02567-4 ISBN 978-3-663-06793-1 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-06793-1 Inhaltsverzeichnis Seite 1. Einführung in die Problemstellung und Zielsetzung 2. Literaturübersicht und theoretische Uberlegungen 2 2.1 Flammenstabilität von Vormischflammen 2 2.1.1 Beschreibung der Stabilitätsgrenzen 2 mit Hilfe der Peclet-Zahl 2.1.2 Der Einfluß des Blockierungsverhältnisses 3 auf die Flammenstabilität 2.1. 3 Folgerungen aus Stabilitätsuntersuchungen 5 an Vormischflammen auf die Stabilität von Diffusionsflammen 2.2 Stabilität von Diffusionsflammen 5 2.2.1 Maximaler Brennstoffumsatz in der 6 Flammenfront einer Diffusionsflamme 2.2.2 Stabilitätsmessungen an Diffusionsflammen 7 hinter Stauvorrichtungen 2.2.3 Einführung der Peclet-Zahl zur Beschreibung 8 der Stabilität von Diffusionsflammen 2.2.3.1 Umformung der Beziehung für den maximalen 8 Brennstoffumsatz 2.2.3.2 Ableitung einer Näherungsbeziehung zur Be- 12 schreibung der Flammenstabilität durch Grenzgeschwindigkeitsgradienten 2.2.4 Weitere Arbeiten über die Stabilität von 15 Diffusionsflammen 2.3 Schlußfolgerung aus den Erkenntnissen über 17 die Stabilisierung von Vormisch- und Diffu sionsflammen 3. Versuchseinrichtung und Versuchsdurchführung 18 3.1 Versuchskanal 18 II Seite 3.2 Versuchsbrenner 19 3.3 Brenngas- und Luftzufuhr 19 3.4 Anlage zur Ausmessung der Mischungsfelder 19 und der Begrenzungen der Rückströmgebiete 3.5 Versuchsdurchführung 21 3.5.1 Stabilitätsmessungen 21 3.5.2 Ausmessen der Mischungsfelder hinter den 23 Staukörpern Untersuchungen 23 4.1 Stabilitätsmessungen 23 4.1.1 Phänomenologische Betrachtung des 23 Stabilisierungsvorganges 4.1.2 Vereinfachte Darstellung der Meßergebnisse 24 in Abhängigkeit von den Haupteinflußgrößen 4.1.3 Auswertung der Stabilitätsmessungen 27 4.1.3.1 Einführung der Peclet-Zahl 27 4.1.3.2 Verbesserung der Peclet-Zahl-Darstellung 29 durch BerücksiChtigung des Blockierungs einflusses 4.1.3.3 Zusammenhang zwischen den Strömungsge- 29 schwindigkeiten von Brenngas und Luft im Stabilitätsmaximum 4.1.3.4 Affine Abbildung der Löschkurven 30 4.1.3.5 Schlußfolgerungen aus den Ergebnissen der 31 Stabilitätsmessungen 4.2 Untersuchungen über die Ausdehnung der 32 Rückströmgebiete 4.3 Untersuchung der Mischungsvorgänge in den 33 Stabilisierungsgebieten - IIr - Seite 4.3.1 Bestimmung der örtlichen Brenngaskonzen tration 33 4.3.2 Berechnung der durch die Begrenzungen der 35 Rückströmgebiete strömenden Brenngasmengen 4.3.3 Deutung des Vorganges der Flammenstabili 36 sierung 4.3.3.1 Verlöschen der Flammen durch Verlagerung der 36 Flammenfronten 4.3.3.2 Abreißen der Hauptflamme durch Uberschreiten 37 des kritischen Brenngasdurchsatzes 4.3.3.3 Verlöschen der Restflamme durch Wärmeabgabe 38 an kalte Strömungen 4.3.3.4 Entwicklung eines Stabilitätsmodelles 39 4.3.4 Temperaturmessungen 40 5. Untersuchung des Einflusses konstruktiver Maßnahmen 40 auf die Flammenstabilität 5.1 Ubersicht über das Versuchsprogramm 41 5.2 Einfluß einer radialen Brenngaszufuhr bei 42 Diffusions flammen 5.2.1 Stabilitätsmessungen 42 5.2.1.1 Darstellung der Meßergebnisse in Abhängig- 43 keit von den Haupteinflußgrößen 5.2.1.1.1 Stauscheiben 43 5.2.1.1.2 Stauscheiben mit Bohrungen 44 5.2.2 Auswertung der Stabilitätsmessungen 45 5.2.2.1 Uberprüfung der Anwendbarkeit der 45 Peclet-zahl-Darstellung 5.2.2.2 Rechnerische Ermittlung der Stabilitäts- 47 grenzen 5.3 Verbrennungsluft mit Drallkomponente 49 IV Seite 5.3.1 Phänomenologische Betrachtung der 49 Stabilisierung mit Drall 5.3.2 Charakterisierung drallbehafteter Strahlen 50 5.3.3 Untersuchung der Geschwindigkeits- und 52 Druckverteilung in Strahlen stromabwärts von Stauscheiben mit drallerzeugenden Vorrichtungen 5.3.3.1 Meßtechnik 52 5.3.3.2 Versuchsergebnisse 53 5.3.4 Stabilitätsmessungen 54 5.4 Teilweise Vormischung von Brenngas und 55 Verbrennungs luft 5.4.1 Stabilitätsmessungen 55 5.4.1.1 Stauscheiben 55 5.4.1.2 Stauscheiben mit drallerzeugenden 56 Vorrichtungen und teilweiser Vormischung 6. Zusammenfassung der Ergebnisse 57 6.1 Probleme bei der Verwendung unterschied 57 licher Brenngase 6.2 Modellvorstellung zur Klärung der 58 Probleme 6.3 Anwendung der Modellvorstellung bei der 59 Entwicklung eines "Allgasbrenners" 7. Diskussion der bei den verschiedenen Messungen 62 möglichen Fehlerquellen 7 • 1 Stabilitätsmessungen 62 7.2 Konzentrationsmessungen 63 7.3 Temperaturmessungen 63 7.4 Messung des dynamischen Druckes und 64 Bestimmung der Längen der Rückströmgebiete 8. Zusammenfassung 65 v Seite 9. Literaturübersicht 68 10. Bildanhang 75 VI Formelzeichen a Temperaturleitzahl B Blockierungsverhältnis = Verhältnis aus Staukörper fläche und Querschnitt des Außenrohres B = (d2 _ d 2)/(D2 _ d 2) 1 1 modifiziertes Blockierungsverhältnis 2 - nB !.4 d-a d 2 1 Breite der Flammenfront an der Begrenzung der Rück strömzone bei stöchiometrischer Gemischzusammen setzung (Definition nach Abb. 4) c Spezifische Wärme c Empirischer Koeffizient D Innerer Durchmesser des Außenrohres . D Tangentiales Impulsmoment 00 Ö = 2 TI J p u w r2 dr o d Staukörperdurchmesser d1 Äußerer Durchmesser des Innenrohres d2 Innerer Durchmesser des Innenrohres dB Durchmesser von Bohrungen in der Stauscheibe E Aktivierungsenergie FRZ Oberfläche der Rückströmzone g Geschwindigkeitsgradient, Tangente an das Geschwin = digkeitsprofil an der Stelle u 0 - VII H Heizwert I Impulsstrom k Konstante L Länge der Rückströmzone L{max) Länge der Rückströmzone im Stabilitätsmaximum LCh Charakteristische Länge . m Massenstromdichte " m Massenumsatz durch Reaktion je Zeit- und Raumeinheit Stöchiometrischer Luftbedarf bezogen auf eine ~,min Masseneinheit n Experimentell zu bestimmender Exponent Anzahl von Bohrungen P Druckkraft 00 P = 2 TI f p r dr o ü·d Pe= - Peclet-Zahl, bezogen auf eine Strömungsgeschwindig a keit Modifizierte Peclet-Zahl, bezogen auf eine Flammen geschwindigkeit R Allgemeine Gaskonstante r Koordinate senkrecht zur Begrenzung des Rückströmge bietes s Drallzahl s = D D/2 <i + ll) - VIII - T Absolute Temperatur t . Mittlere Reaktionszeit in der Flammenfront einer mln Diffusionsflamme u örtliche Strömungsgeschwindigkeit in x-Richtung Mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases, bezogen auf den Innenrohrquerschnitt uG(max) Mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases im Stabilitätsmaximum Mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Luft, bezogen auf den Ringquerschnitt zwischen Außen und Innenrohr Mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Luft, bezogen auf den Ringquerschnitt zwischen Staukörper und Außen rohr V Volumen, Rauminhalt V Volumenstrom v Volumenstromdichte • 11 V Umsatz durch Reaktion, bezogen auf eine Volumen einheit v örtliche Strömungsgeschwindigkeit in y-Richtung Stöchiometrischer Luftbedarf, bezogen auf eine Volumeneinheit w örtliche Strömungsgeschwindigkeit in Z-Richtung x Koordinate in Richtung der Flammenachse y Koordinate senkrecht zur Flammenachse y-Koordinate an der Begrenzung der Rückströmzone
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