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W Bernd Epple . Reinhard Leithner Wladimir Linzer . Heimo Walter (Hrsg.) Simulation von Kraftwerken und Feuerungen 2., erw. und korr. Auflage SpringerWienNewYork Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Bernd Epple Fachbereich für Energiesysteme und Energietechnik Technische Universität Darmstadt, D–Darmstadt Prof. Dr. Reinhard Leithner Fachbereich Maschinenbau, Institut für Wärme- u. Brennstofftechnik Technische Universität Braunschweig, D–Braunschweig Em. O. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Wladimir Linzer Institut für Energietechnik und Thermodynamik Technische Universität Wien, A–Wien Ao. Univ.-Prof. Dipl-Ing. Dr. Heimo Walter Institut für Energietechnik und Thermodynamik Technische Universität Wien, A–Wien Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdruckes, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ähnlichem Wege und der Spei- cherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vor- behalten. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu be- trachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. © 2012 Springer-Verlag/Wien Printed in Germany SpringerWienNewYork ist ein Unternehmen von Springer Science + Business Media springer.at Korrektorat: Sabine Wiesmühler, A–Wien Satz/Layout: Reproduktionsfertige Vorlage der Autoren Cover: WMXDesign GmbH, D–Heidelberg Druck: Strauss GmbH, D–Mörlenbach Gedruckt auf säurefreiem, chlorfrei gebleichtem Papier SPIN 86008524 Mit 337 Abbildungen Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. ISBN 978-3-7091-1181-9 SpringerWienNewYork ISBN 978-3-211-29695-0 1. Auflage SpringerWienNewYork Meinen Beitrag zu diesem Buch widme ich Herrn Dipl.-Ing. ETH Fritz Läubli,dermirzuBeginnmeinerIngenieurslaufbahnbeiSulzerinWinterthur in der Schweiz das Verständnis für Simulationen vermittelte. Prof.Dr.techn.Reinhard Leithner Vorwort Vorwort zur 2. Auflage Die1.AuflagediesesanspruchsvollenBuchsfürPraktikerundStudierendehat sogroßenAnklanggefunden,dassesbereitsnachknappzweiJahrenvergriffen ist. Die Anerkennung, die dieses Buch gefunden hat, können wir am besten durch den zusammenfassenden letzten Absatz der ausführlichen Rezension in der ZAMM-Zeitschrift für Angewandte Mathematik und Mechanik 90, No. 6, 528 (2010) von Bernd Platzer belegen: Das Buch vereinigt mathematische und insbesondere numerische Metho- denmitderModellierungkomplexerverfahrenstechnischerProblemstellungen. Es werden umfangreiche Modelle der Strömungsmechanik, der Reaktionstech- nik sowie der Wärme- und Stoffübertragung sehr anschaulich tiefgründig dis- kutiert und auf die Anwendungsfälle Kraftwerke/wärmetechnischen Anlagen angewendet. Für Mathematiker und Numeriker mit einem technischen An- wendungsbezug sowie Verfahrenstechniker ist das Buch sehr zu empfehlen. Für Studenten dieser Fachgebiete zeigt es anschaulich, wie das Wissen un- terschiedlicher Fachdisziplinen zur Beantwortung technischer Fragestellungen beiträgt und welche Möglichkeiten moderne mathematische Methoden dabei leisten. Das Buch ist ein Muss für all diejenigen, die Kraftwerkstechnik stu- dieren oder auf diesem Gebiet arbeiten. Diese Rezension war uns auch ein Ansporn für die 2. Auflage, in der wir nebenderKorrekturenunvermeidlicherFehlerauchdienochrelativneueDis- crete Element Method - DEM in Theorie und Praxis aufgenommen und auch das Kapitel 8 Monitoring um ein weiteres Beispiel über Speisewasserpumpen- simulation und -monitoring ergänzt haben. Wir wünschen allen Lesern, dass sie viel Nutzen aus der Anwendung der in dem Buch geschilderten Methoden und Beispiele ziehen mögen. Für die umfangreichen redaktionellen Arbeiten möchten sich die Heraus- geber und Autoren noch bei Hrn. Ao.Univ.Prof. Dr. Heimo Walter und Hrn. Tobias Müller bedanken. VIII Vorwort Vorwort zur 1. Auflage Vorwort für die Benutzung des Buches Das Buch ist gedacht für Studenten höherer Semester und Diplomingenieure, die sich in die Simulation von Kraftwerken und wärmetechnischen Anlagen einarbeiten wollen. Es umfasst sowohl die Simulation der Feuerung und Gas- strömung (Kapitel 4 und 5) als auch die Arbeitsstoffseite, d.h. i. Allg. die Simulation der Wasser- und Dampfströmung einschließlich der Stabilität im Verdampfer (Kapitel 6). In den einleitenden Kapiteln (1 – 3) werden auch die Entwicklung der Simulation und die Einbindung in umgebende Systeme wie Fernwärmenet- ze, elektrische Netze etc. (Kapitel 1) beschrieben, aber auch eine sehr kurze und dadurch übersichtliche Darstellung der Umwandlung und des Transports von Masse, Energie, Impuls und Stoffen (Kapitel 2) und der numerischen Methoden (Kapitel 3) gegeben, die für Studenten höherer Semester und Di- plomingenieureeineWiederholungdarstellen,aberauchdasInteressejüngerer Semesterfindenkönnten,dieaufderSuchenachdemSinnundZweckoderei- ner zusammenfassenden Darstellung des umfangreichen theoretischen Stoffes sind, der ihnen am Anfang des Studiums zugemutet wird. In Kapitel 7 wird die Simulation von Kraftwerken als Gesamtmodell ein- schließlich Regelung und Steuerung beschrieben. Dadurch lässt sich der Be- triebsolcherAnlagenvordemBauberechnenunddieRegelungundSteuerung optimieren. Auch die Einhaltung von Garantien bezüglich Laständerungsge- schwindigkeiten und der dabei entstehenden Abweichungen von Betriebspa- rametern wie Temperaturen, Drücken, Massenströmen (Speicherwasser, Ein- spritzungen) und der Feuerleistung können überprüft werden. Ferner können auchAn-undAbfahrenderAnlagenundSicherheitsvorkehrungenfürStörfälle getestet werden. InKapitel8wirdaufBetriebsmonitoringundinsbesondereaufdieLebens- dauerüberwachung eingegangen, wofür auch in den vorhergehenden Kapiteln beschriebene Methoden (z.B. Validierung) eingesetzt werden. Kapitel 9 (Ergebniskontrolle, Genauigkeit und Auswertung) ist sehr wich- tig, um zu lernen, wie die Ergebnisse sehr komplexer Simulationen mit einfa- chen Methoden zumindest auf grobe Fehler überprüft werden können. Je nachdem, was der Leser sucht, kann er eigentlich mit jedem Kapitel beginnen und auch von einem Kapitel zu einem anderen springen. Natürlich spricht auch nichts dagegen, das Buch von Anfang bis zum Ende zu lesen. Die Autoren haben in zahlreichen Aufsätzen und von ihnen betreuten Dis- sertationen viele Themen vertieft bearbeitet, worauf im Literaturverzeichnis hingewiesen wird. Symbolverzeichnis und Glossar tragen zum Verständnis bei und das Sachver- zeichnis ermöglicht das schnelle Auffinden von behandelten Problemstellun- gen. Autorenverzeichnis M.Sc. Falah Alobaid TU-Darmstadt Fachgebiet für Energiesysteme und Energietechnik Petersenstraße 30 D-64287 Darmstadt Deutschland Dr.-Ing. Ognjan Božić Technische Universität Braunschweig Institut für Wärme- und Brennstofftechnik Franz-Liszt-Straße 35 D-38106 Braunschweig Deutschland Univ.-Prof. Dr.-Ing. Bernd Epple TU-Darmstadt Fachgebiet für Energiesysteme und Energietechnik Petersenstraße 30 D-64287 Darmstadt Deutschland Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Reinhard Leithner Technische Universität Braunschweig Institut für Wärme- und Brennstofftechnik Franz-Liszt-Straße 35 D-38106 Braunschweig Deutschland X Autorenverzeichnis em. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Wladimir Linzer Technische Universität Wien Institut für Energietechnik und Thermodynamik Getreidemarkt 9 A-1060 Wien Österreich Dr.-Ing. Horst Müller Technische Universität Braunschweig Institut für Wärme- und Brennstofftechnik Franz-Liszt-Straße 35 D-38106 Braunschweig Deutschland Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Karl Ponweiser Technische Universität Wien Institut für Energietechnik und Thermodynamik Getreidemarkt 9 A-1060 Wien Österreich Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Heimo Walter Technische Universität Wien Institut für Energietechnik und Thermodynamik Getreidemarkt 9 A-1060 Wien Österreich Autorenverzeichnis XI Ao. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Andreas Werner Technische Universität Wien Institut für Energietechnik und Thermodynamik Getreidemarkt 9 A-1060 Wien Österreich Dr.-Ing. Adam Witkowski Technische Universität Braunschweig Institut für Wärme- und Brennstofftechnik Franz-Liszt-Straße 35 D-38106 Braunschweig Deutschland Dr.-Ing. Henning Zindler Technische Universität Braunschweig Institut für Wärme- und Brennstofftechnik Franz-Liszt-Straße 35 D-38106 Braunschweig Deutschland Inhaltsverzeichnis Autorenverzeichnis ............................................ IX Symbolverzeichnis .............................................XXI 1 Einleitung ................................................. 1 1.1 Auslegung und Simulation ................................ 1 1.2 Einbindung in umgebende Systeme und Lebenszyklusmodellierung ................................ 5 1.3 Simulation und Experimente.............................. 7 1.4 Mathematische und numerische Modelle .................... 9 1.5 Entwicklung von CFD zur Feuerraumsimulation ............. 11 2 Umwandlung und Transport von Masse, Energie, Impuls und Stoffen ................................................ 17 2.1 Bilanzgleichungen ....................................... 17 2.1.1 Formen der zeitlichen Ableitung..................... 17 2.1.2 Bilanzgleichung für eine allgemeine Bilanzgröße ....... 20 2.1.3 Massenbilanz (Kontinuitätsgleichung) ................ 25 2.1.4 Impulsbilanz...................................... 26 2.1.5 Energiebilanz (Leistungsbilanz) ..................... 29 2.1.6 Bilanzgleichung der mechanischen Energie (Leistung) .. 30 2.1.7 Bilanzgleichung der thermischen Energie (Leistung).... 32 2.1.8 Bilanzgleichung der Stoffkomponenten ............... 32 2.1.9 Stationäre und instationäre Zustände ................ 33 2.2 Turbulenzmodelle ....................................... 36 2.2.1 Phänomenologische Beschreibung.................... 36 2.2.2 Turbulenzmodellierung............................. 38 2.2.3 Klassifizierung von Turbulenzmodellen ............... 38 2.2.4 Nullgleichungsmodelle.............................. 38 2.2.5 Eingleichungsmodelle .............................. 38 2.2.6 Zweigleichungsmodelle ............................. 39