Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Das Vorhaben besch\u00e4ftigt sich mit der Verbesserung der Emissionen von Heizger\u00e4ten kleiner Leistung. Durch die Vermeidung von Verbrennungsschwingungen durch die thermoakustischen Wechselwirkungen zwischen der Flamme und den passiven Komponenten des Systems sollen bisher sicher nicht erreichbare emissionsarme Betriebsbereiche erschlossen werden. Der Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung bisher nicht gebr\u00e4uchlicher Methoden, die von den Industriepartnern im Rahmen ihrer Entwicklungsprozesse eingesetzt werden k\u00f6nnen.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenF\u00fcr die Stabilit\u00e4tsanalyse von Heizger\u00e4ten gegen thermoakustisch getriebene Schwingungen werden Netzwerkmodelle entwickelt, die von den Industriepartnern im Rahmen der Entwicklung angewendet werden k\u00f6nnen. In einem experimentellen Begleitprogramm werden zun\u00e4chst seriennahe Heizger\u00e4te untersucht und die Form der akustischen Wellenfelder analysiert, wobei Frischluft- und Abgaspfad mit ber\u00fccksichtigt werden. Im zweiten Schritt erfolgt eine Vertiefung durch Komponentenuntersuchungen mit experimentellen und theoretisch\/numerischen Methoden. Ziel ist die realistische Beschreibung der Vorg\u00e4nge mit einem Modell, das die Flamme mittels einer akustisch r\u00fcckgekoppelten Quelle ber\u00fccksichtigt. Die Ergebnisse werden auf einfache Netzwerkmodelle mit wenigen, physikalisch motivierten Parametern \u00fcbertragen. Abschlie\u00dfend sollen die thermoakustischen Eigenschaften realit\u00e4tsnaher Heizger\u00e4te mit diesen Modellen dargestellt und anhand der Experimente verifiziert werden. In einem Handbuch soll die Vorgehensweise beim Erstellen von Netzwerkmodellen nachvollziehbar erl\u00e4utert werden und es soll erkl\u00e4rt werden, welche M\u00f6glichkeiten zur \u00c4nderung der thermoakustischen Eigenschaften und der Stabilit\u00e4t existieren. Durch Parameterstudien mit Netzwerkmodellen werden die Ursachen f\u00fcr Instabilit\u00e4ten und Abhilfen diskutiert. Durch die Nutzung dieser Werkzeuge werden die Industriepartner im ersten Schritt dazu in die Lage versetzt, vorhandene Heizger\u00e4te so zu modifizieren, dass die Verbrennungstemperaturen und damit die Stickoxidemissionen gravierend abgesenkt werden k\u00f6nnen. Dar\u00fcber hinaus sollen die gleichen Werkzeuge in den Entwicklungsprozess f\u00fcr neue Generationen von Heizger\u00e4ten integriert werden, um schon in der Entwurfsphase sicher zu stellen, dass der emissionsoptimale Betriebsbereich realisiert werden kann.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Im Rahmen des DBU-Projektes Emissionsreduktion und Effizienzerh\u00f6hung von Heizger\u00e4ten kleiner Leistung durch Vermeidung von Verbrennungsinstabilit\u00e4ten ist ein Softwarecode zur Vorhersage thermoakustischer Instabilit\u00e4ten in Heizungssystemen kleiner Leistung entstanden. Dieses Vorhersagewerkzeug erm\u00f6glicht den Entwicklern solcher Heizungen bereits in der Designphase Ma\u00dfnahmen zur akustischen Stabilisierung zu ziehen. Es basiert auf der Methode der eindimensionalen Netzwerkmodellierung welche bereits erfolgreich bei der Systemcharakterisierung von Gasturbinen und Raketenbrennkammern eingesetzt wurde.<\/p>\n
Die vorliegende Arbeit erkl\u00e4rt die Vorgehensweise bei der Benutzung dieses Vorhersagewerkzeuges am Beispiel zweier Heizungssysteme. Die dem Berechnungscode zu Grunde liegenden analytischen Gleichungen zur Berechnung der akustischen Eigenschaften des Systems, sowie die theoretischen Grundlagen der OLG-Methode zur Bestimmung der stabilen und instabilen Eigenmoden sind eingehend dargestellt. Die verwendete Methode erfordert die Erstellung eines akustischen Netzwerks. Dazu wird die Geometrie einer gegebenen Heizung \u00fcber den Str\u00f6mungsweg der Gase als quasi eindimensional betrachtet. Sie wird in einzelne akustische Elemente unterteilt, deren Akustik durch eine Transfermatrix beschrieben ist. Die Transfermatrizen werden in einem Netzwerkmodell als analytische Modelle oder durch experimentell ermittelte Daten ausgedr\u00fcckt. F\u00fcr diese Arbeit sind die Komponenten experimentell mit der Multimikrofonmethode vermessen worden, deren Transfermatrizen nicht durch Standardelemente beschrieben werden k\u00f6nnen. Dies sind f\u00fcr die RMH Heizung der Ein- und Auslassstutzen sowie die Wickelrohre des Frischluft- und Abgaspfades, der gesamte Brennertopf sowie der Flammenhalter und die brennerstabilisierte Flachflamme. F\u00fcr den Porenbrenner von sind die por\u00f6se Vorw\u00e4rmzone sowie die Verbrennungszone untersucht worden. F\u00fcr die akustischen Transformationseigenschaften dieser Elemente werden Modellierungsvorschl\u00e4ge gegeben.<\/p>\n
Der Vergleich der modellierten und gemessenen Werte zeigt die Anwendbarkeit der neu generierten Modelle. Das resultierende Netzwerkmodell eines Gesamtsystems f\u00fchrt zu einem Gleichungssatz mit dem die Akustik und das Stabilit\u00e4tsverhalten des Systems vorhergesagt werden kann. Die Aussagegenauigkeit des Modells der RMH wird mit Hilfe von experimentell ermittelten Validierungsdaten gepr\u00fcft. Dazu werden Messungen am realen Heizger\u00e4t durchgef\u00fchrt. Die Messdaten k\u00f6nnen mit den aus dem Vorhersagewerkzeug berechneten Werten verglichen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass f\u00fcr beide Heizungen die Systemstabilit\u00e4t mit der verwendeten Methode qualitativ und auch zahlenm\u00e4\u00dfig mit einer hohen Genauigkeit prognostiziert werden kann. Das zeigt sich vor allem in den ermittelten dominanten Eigenfrequenzen und deren Stabilit\u00e4t. Die Genauigkeit h\u00e4ngt dabei stark von der Qualit\u00e4t des modellierten Netzwerks ab. Besonders die Auswahl der Transfermatrixmodelle der einzelnen Elemente erfordert beim Anwender eine gewisse Erfahrung. H\u00e4ufig sind hier Experimente zur Messung der Transfermatrix hilfreich. Das entwickelte Vorhersagewerkzeug erm\u00f6glicht den Heizungsbauern eine schnelle und kosteng\u00fcnstige Prognose der thermoakustischen Stabilit\u00e4t eines Heizungssystems. Aufw\u00e4ndige und eventuell nicht zielf\u00fchrende Experimente an teuren Prototypen werden dadurch hinf\u00e4llig. Einfache gezielte Ver\u00e4nderungen an den geometrischen Parametern der Heizung im Modell erm\u00f6glichen Tests zum Einfluss passiver Stabilisierungsma\u00dfnahmen auf die Systemcharakteristik. Ziel ist es neue, thermoakustisch stabile und emissions\u00e4rmere Betriebsbereiche zu erschlie\u00dfen.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Hinsichtlich der Methoden wurden w\u00e4hrend des Projektes neue Erkenntnisse erzielt. Diese werden im April 2009 auf der ECM in Wien unter der Bezugsnummer A810093 von den Autoren ver\u00f6ffentlicht.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Das gesamte Vorhaben kann als erfolgreich abgeschlossen angesehen werden. F\u00fcr die Industrie ergibt sich durch die erzielten Ergebnisse die M\u00f6glichkeit emissions\u00e4rmere und energieeffizientere Heizungssysteme thermoakustisch stabil auszulegen. Innovationen wurden besonders bez\u00fcglich der etablierten Messmethoden erzielt.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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