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Bild 3.5: Gesamtwärmestromdichtenverteilung [W/mm2] auf der Innenwand des Kessels          (Seitenansicht)Bild 3.6: Strahl...
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Beim Heizen viel Brennstoff sparen und den CO2-Ausstoss senken

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Embrach, (ots) - Gute Nachricht für Industrie, Gewerbe, Institutionelle Hauseigentümer, Immobilienverwaltungen und private Hausbesitzer: Mit MoonPower Hochtemperaturspeicherelementen sinken sowohl die Energiekosten als auch die Umweltbelastung. ... / http://ots.ch/600934b

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Beim Heizen viel Brennstoff sparen und den CO2-Ausstoss senken

  1. 1. Kurzbericht Numerische Simulation der thermischen Belastung eines Flammrohrs nach Einbau von Hochtemperaturwärmespeichern (HTS) im Kessel zur Erzeugung von WarmwasserAuftraggeber: Firma Moon-Power Wärmetechnik Schlot 3 96394 Marktrodach Gaswärme-Institut e.V., Essen Dipl. Ing. Eren TaliGeschäftsführender Vorstand: Dr.-Ing. Rolf Albus Sparkasse Essen Registergericht: Amtsgericht EssenWissenschaftlicher Vorstand: Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Görner BLZ: 360 501 05 Registernummer: GWI Allg. II 1691Kaufmännischer Vorstand: Dipl.-Betriebswirt Michael Radzuweit Konto-Nr.: 208 033 Steuer-Nr.: 5110/5758/0266Verwaltungsratsvorsitzender: Dr.-Ing. Walter Thielen IBAN: DE12 3605 0105 0000 2080 33 USt.-ID.: DE 119655769 SWIFT CODE: SPESDE3E
  2. 2. 1 Einleitung und ZielsetzungKessel zur Erzeugung von Warmwasser oder Dampf bestehen aus einerBrennkammer, die als Flammrohr bezeichnet wird und einem nachgetaktetenWärmetauschersystem zur Erwärmung des umlaufenden Wassers. Beheiztwerden die Kessel in der Regel mit Erdgas oder Heizöl. Es ist Stand der Technik,dass durch den Einbau eines zusätzlichen Wärmespeichers, genannt HTS, in dasFlammrohr des Kessels eine Energieeinsparung in der Größenordnung von 10-15 % erreicht werden kann.Die Speicher werden in Heizkesseln eingebaut, die mit Öl oder Gas befeuertwerden und deren Brennerbetrieb (Gebläsebrenner) getaktet oder stufenlosgleitend abläuft. Beim getakteten oder modulierenden Betrieb wird während dersogenannten Heizzeit dieser zusätzliche Speicher bis auf etwa 1200 °Caufgeheizt und während der Kühlzeit bis auf etwa 500° wieder gekühlt, wobei die Cgespeicherte Wärme wieder an das Flammrohr abgegeben wird. Dadurch kanndas Flammrohr zur Erwärmung von Wasser bzw. Dampf verwendet werden, ohnedass der Gasbrenner kontinuierlich betrieben werden muss.Zusätzlich wirken diese Wärmespeicher auch als Strömungshindernis, durch daseine verstärkte Rezirkulation von heißem Abgas in der Nähe der Flammrohrwandforciert wird, was dort eine verbesserte Wärmeübertragung zur Folge hat. DieserVorteil kommt auch bei getakteter oder modulierender Fahrweise zum Tragen.Unbekannt war jedoch, in welcher Weise ein Flammrohr mit einem solchenSpeicher thermisch belastet wird.Im Auftrag der Firma Moon-Power Wärmetechnik sollen die Verteilungen derWandtemperaturen und Wärmestromdichten auf der Innenwand des Flammrohresvor und nach Einbau der Hochtemperaturwärmespeicher im Kessel mit Hilfestationärer numerischer Simulationen untersucht werden. 1
  3. 3. In den durchzuführenden Simulationen werden Strömungs-, Mischungs-,Reaktions- und Strahlungsprozesse berücksichtigt. Die Grenze des Berechnungs-gebietes bilden die Innenwände des Kessels mit dem angeschlossenen Brenner.Im Rahmen dieser Simulationen wurden nach Rücksprache mit dem Auftraggeberdie Wände des Kessels mit einer Wandstärke von 15 mm angenommen, derEinfluss des Wasserdampfs an der Außenwand des Flammrohrs wird durch dieWahl geeigneter Randbedingungen dargestellt. Als Brennstoff wird Methaneingesetzt.Auf Grund der Symmetrie in einer Ebene wird die Hälfte des Kessels simuliert. InBild 1.1 ist der Kessel ohne und mit Keramikelementen mit dem verwendetenBrenner dargestellt. Bild 1.1: Geometrie des Kessels ohne und mit Keramikelementen 2
  4. 4. 2. Numerische SimulationDas CFD (Computational Fluid Dynamics) Programmsystem FLUENT arbeitet aufder Grundlage der Finite-Volumen-Methode. Es besteht aus mehreren Program-men, die unter anderem der Gittergenerierung, dem Pre- und Post-Processing undder Simulationsdurchführung selbst dienen, sowie Datenbanken für Stoffwerte zurBestimmung des Speziestransports mit und ohne Verbrennung.In Bild 2.1 ist die Programmstruktur von FLUENT dargestellt. Zur Lösung derWärmeübertragungs- und Strömungsprobleme können strukturierte und unstruktu-rierte Gitter sowohl für den zwei- als auch für den dreidimensionalen Fall generiertwerden.Die Basis der mathematischen Modellierung der Wärme- und Strömungsverhält-nisse in FLUENT sind die Erhaltungsgleichungen für die Massen-, Stoff-, Impuls-und Enthalpieströme. Dieses Gleichungssystem wird in den einzelnen Zellen desdiskretisierten Berechnungsraumes iterativ mit Hilfe numerischer Methoden gelöst.In Bild 2.2 stellt schematisch die Vorgehensweise bei der mathematischen Model-lierung in FLUENT dar. Bild 2.1: FLUENT Programmstruktur 3
  5. 5. Bild. 2.2: Vorgehensweise bei der mathematischen Modellierung mit FLUENTDie Berechnungen wurden mit dem CFD-Programm FLUENT durchgeführt. DieModellierung der Turbulenzgrößen erfolgte mit dem SST-Modell, dieStrahlungsberechnung mit dem Discrete-Ordinates-Modell. Die Verbrennungwurde mit einem Eddy Dissipation Modell nach Magnussen und Hjertagerabgebildet, wobei die chemischen Reaktionen durch einen 2-Schritt-Reaktionsmechanismus beschrieben wurden. Hierbei wird angenommen, dass dieUmsatzrate des Brennstoffs allein durch die turbulente Mischung bestimmt wird,da die Reaktionsgeschwindigkeit im Vergleich zur Mischungsgeschwindigkeit vielgrößer ist.2.1 RandbedingungenDie in Bild 1.1 gezeigten Geometrien wurden für eine Leistung von 1400 kW mitMethan als Brennstoff simuliert–für eine Luftzahl von 1,2 bei einer Lufttemperaturvon 20 ° und einer Brenngastemperatur von ebenfalls 20 ° An der Außenseite C C.des Kessels befindet sich Wasserdampf mit einer Temperatur von 130 ° In den C.folgenden Tabellen sind die Kessel- und Keramikeigenschaften zusammengestellt. 4
  6. 6. FlammrohrMaterial - 17Mn4ρ kg/m3 7900cp J/kgK 610λ W/mK 41Rauigkeit mm 0.1SpeicherelementeMaterial - Keramikspeicher HTS 300ρ kg/m3 2900cp J/kgK 900λ W/mK 1,03TrägerMaterial - Keramikρ kg/m3 2900cp J/kgK 900λ W/mK 1,03RiegelMaterial - Keramikρ kg/m3 2700cp J/kgK 900λ W/mK 1,03KeramikfasermatteMaterial - Keramikfaserρ kg/m3 960cp J/kgK 1130λ W/mK 0,08 5
  7. 7. 3. Ergebnisse der numerischen SimulationIn Bild 3.1 ist die berechnete Verteilung der resultierenden Geschwindigkeiten mitden Vektoren in der vertikalen Mittelebene des Kessels für beide Varianten zu se-hen, wobei sich die resultierende Geschwindigkeit aus den einzelnen Geschwin-digkeitskomponenten zusammensetzt. Die Ausbildung des Rückströmsgebietes inbeiden Varianten wird durch den Vektorenverlauf deutlich. Durch den Widerstandder Speicherelemente in Strömungsrichtung (unten) wird das Rückströmungsge-biet deutlich größer als beim herkömmlichen Kessel (oben). Bild 3.1: Resultierende Geschwindigkeiten [m/s] und der Vektorenverlauf in der vertika- len Mittelebene für den herkömmlichen Kessel (oben) und den Kessel mit Spei- cherelementen (unten) 6
  8. 8. In Bild 3.2 sind die Temperaturverteilungen beider Konfigurationen in dervertikalen Mittelebene dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich durch dieRückströmung eine höhere Temperatur in der Nähe der Kesselwand bei demKessel mit Speicherelementen einstellt. Diese höheren Temperaturen führen dortzu einer intensiveren Wärmeübertragung. Entsprechend liegt am Abgasaustrittdes herkömmlichen Kessels eine 62 K höhere Temperatur vor als beim Kessel mitSpeicherelementen. Bild 3.2: Temperaturverteilungen [° in der vertikalen Mittelebene des Kessels C] 7
  9. 9. Die Temperaturverteilung auf der Innenwand der Kessel ist in Bild 3.3 dargestellt.Hier zeigt sich für den Kessel mit Speicherelementen eine höhereWandtemperatur als Kessel ohne Speicherelemente. Auffällig ist, dass bei demKessel mit Speicherelementen die höchsten Wandtemperaturen in der Nähe derFixierung der Keramikfasermatte zu finden sind. Bild 3.3: Innenwandtemperatur [° des Kessels (Seitenansicht) C]Dies wird durch Bild 3.4 verdeutlicht, das eine Ansicht von unten auf die Fixierungder Speicherelemente mit einer anderen Farbskala zeigt. DieInnenwandtemperatur des Flammrohrs im Bereich der Auflage derSpeicherelemente zeigt eine maximale Temperatur von ca. 360 ° weil das C,Fasermaterial die Wärme auf Grund seiner thermischen Eigenschaften denWärmetransport reduziert. Laut Auftraggeber darf die Temperatur an dieser Stelle450 ° nicht überschreiten. C 8
  10. 10. Bild 3.4: Innenwandtemperatur [° des Kessels mit den Speicherelementen (Ansicht C] von Unten)Für eine detaillierte Analyse sind die übertragenen Wärmestromdichten auf derInnenwand des Kessels ausgewertet worden, wie in Bild 3.5 dargestellt ist. DerBetrieb mit Keramikeinsätzen im Flammrohr führt zu einer Veränderung derWärmeübertragungsprozesse. Deutlich sind höhere Wärmestromdichten imBereich der Speicherelemente zu sehen. Die Ursache hierfür wird anhand von Bild3.6 verdeutlicht. Hier ist lediglich die Strahlungswärmestromdichtenverteilung aufder Innenwand dargestellt. Aus Gründen der Anschaulichkeit wurde die Skalaangepasst. Es wird deutlich, dass in der Nähe der Keramikelemente einwesentlich intensiverer Strahlungswärmetransport stattfindet. Die der Auslegungdes Flammrohres zugrunde gelegte Wärmestromdichte darf für die Gasfeuerungan keiner Stelle höher als 0,24 W/mm2 (EN 12953-3) sein. Nach der Simulationenwurde eine maximale Wärmestromdichte von 0,194 W/mm2 festgestellt, die sichsomit selbst im ungünstigsten Fall (Brenner aktiviert und Keramikelement aufmaximaler Temperatur) unter dem vorgegebenen Grenzwert befindet. Bei demherkömmlichen Flammrohr liegt ein maximaler Wert von 0,112 W/mm2 vor, wieBild 3.5 erkennbar ist. 9
  11. 11. Bild 3.5: Gesamtwärmestromdichtenverteilung [W/mm2] auf der Innenwand des Kessels (Seitenansicht)Bild 3.6: Strahlungswärmestromdichtenverteilung [W/mm2] auf der Innenwand des Kessels (Seitenansicht) 10
  12. 12. 4. ZusammenfassungDie Ergebnisse der Simulation mit dem CFD-Programm FLUENT zeigen unterVerwendung der genannten Modelle mit den vorgegebenen Randbedingungen,dass die Wärmestromdichte im Flammrohr den kritischen Wert von 0,24 W/mm2(EN 12953-3) nicht überschreitet. Die Berechnung zeigt eine maximaleWärmestromdichte von 0,194 W/mm2 für den ungünstigsten Fall (Einstellkörperauf max. Temperatur und Brenner im Betrieb) im Bereich der Faserisolation vordem ersten Körper.Neben dieser Betrachtung der Wärmestromdichten an den Bauteiloberflächenzeigen die Simulationen des Weiteren, dass sich bei Verwendung derHochtemperaturspeicherelemente durch die veränderte Strömungsführung höhereWärmeströme an der Flammrohrwand ergeben. Die Wärmespeicher wirken dabeials Strömungshindernis, aufgrund dessen heiße Abgase in eineRezirkulationszone gezwungen werden, was zu höheren Temperaturen in Näheder Wand und somit zu einer verbesserten Wärmeübertragung führt. Verglichenmit dem Fall ohne Wärmespeicher weist der Wärmetauscher mit HTS also einenbesseren Wirkungsgrad auf, der sich in einen reduzierten Brennstoffverbrauchwiederspiegelt. Dieser Vorteil kommt unabhängig von der Brennerfahrweise zumTragen. Durch die Speicherelemente wurde in den Simulationen ca. 18 % mehrWärme auf die Wasserseite übertragen. 11

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