Projekt 24678/01

Emissionsreduktion und Effizienzerhöhung von Heizgeräten kleiner Leistung durch Vermeidung von Verbrennungsinstabilitäten

Projektträger

Technische Universität München Lehrstuhl für Thermodynamik
Boltzmannstr. 15
85747 Garching
Telefon: 089/28916217

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Vorhaben beschäftigt sich mit der Verbesserung der Emissionen von Heizgeräten 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 gebräuchlicher Methoden, die von den Industriepartnern im Rahmen ihrer Entwicklungsprozesse eingesetzt werden können.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Stabilitätsanalyse von Heizgeräten gegen thermoakustisch getriebene Schwingungen werden Netzwerkmodelle entwickelt, die von den Industriepartnern im Rahmen der Entwicklung angewendet werden können. In einem experimentellen Begleitprogramm werden zunächst seriennahe Heizgeräte untersucht und die Form der akustischen Wellenfelder analysiert, wobei Frischluft- und Abgaspfad mit berücksichtigt werden. Im zweiten Schritt erfolgt eine Vertiefung durch Komponentenuntersuchungen mit experimentellen und theoretisch/numerischen Methoden. Ziel ist die realistische Beschreibung der Vorgänge mit einem Modell, das die Flamme mittels einer akustisch rückgekoppelten Quelle berücksichtigt. Die Ergebnisse werden auf einfache Netzwerkmodelle mit wenigen, physikalisch motivierten Parametern übertragen. Abschließend sollen die thermoakustischen Eigenschaften realitätsnaher Heizgeräte mit diesen Modellen dargestellt und anhand der Experimente verifiziert werden. In einem Handbuch soll die Vorgehensweise beim Erstellen von Netzwerkmodellen nachvollziehbar erläutert werden und es soll erklärt werden, welche Möglichkeiten zur Änderung der thermoakustischen Eigenschaften und der Stabilität existieren. Durch Parameterstudien mit Netzwerkmodellen werden die Ursachen für Instabilitäten und Abhilfen diskutiert. Durch die Nutzung dieser Werkzeuge werden die Industriepartner im ersten Schritt dazu in die Lage versetzt, vorhandene Heizgeräte so zu modifizieren, dass die Verbrennungstemperaturen und damit die Stickoxidemissionen gravierend abgesenkt werden können. Darüber hinaus sollen die gleichen Werkzeuge in den Entwicklungsprozess für neue Generationen von Heizgeräten integriert werden, um schon in der Entwurfsphase sicher zu stellen, dass der emissionsoptimale Betriebsbereich realisiert werden kann.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des DBU-Projektes Emissionsreduktion und Effizienzerhöhung von Heizgeräten kleiner Leistung durch Vermeidung von Verbrennungsinstabilitäten ist ein Softwarecode zur Vorhersage thermoakustischer Instabilitäten in Heizungssystemen kleiner Leistung entstanden. Dieses Vorhersagewerkzeug ermöglicht den Entwicklern solcher Heizungen bereits in der Designphase Maßnahmen 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.

Die vorliegende Arbeit erklärt 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 über den Strömungsweg 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 ausgedrückt. Für diese Arbeit sind die Komponenten experimentell mit der Multimikrofonmethode vermessen worden, deren Transfermatrizen nicht durch Standardelemente beschrieben werden können. Dies sind für die RMH Heizung der Ein- und Auslassstutzen sowie die Wickelrohre des Frischluft- und Abgaspfades, der gesamte Brennertopf sowie der Flammenhalter und die brennerstabilisierte Flachflamme. Für den Porenbrenner von sind die poröse Vorwärmzone sowie die Verbrennungszone untersucht worden. Für die akustischen Transformationseigenschaften dieser Elemente werden Modellierungsvorschläge gegeben.

Der Vergleich der modellierten und gemessenen Werte zeigt die Anwendbarkeit der neu generierten Modelle. Das resultierende Netzwerkmodell eines Gesamtsystems führt zu einem Gleichungssatz mit dem die Akustik und das Stabilitätsverhalten des Systems vorhergesagt werden kann. Die Aussagegenauigkeit des Modells der RMH wird mit Hilfe von experimentell ermittelten Validierungsdaten geprüft. Dazu werden Messungen am realen Heizgerät durchgeführt. Die Messdaten können mit den aus dem Vorhersagewerkzeug berechneten Werten verglichen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass für beide Heizungen die Systemstabilität mit der verwendeten Methode qualitativ und auch zahlenmäßig mit einer hohen Genauigkeit prognostiziert werden kann. Das zeigt sich vor allem in den ermittelten dominanten Eigenfrequenzen und deren Stabilität. Die Genauigkeit hängt dabei stark von der Qualität des modellierten Netzwerks ab. Besonders die Auswahl der Transfermatrixmodelle der einzelnen Elemente erfordert beim Anwender eine gewisse Erfahrung. Häufig sind hier Experimente zur Messung der Transfermatrix hilfreich. Das entwickelte Vorhersagewerkzeug ermöglicht den Heizungsbauern eine schnelle und kostengünstige Prognose der thermoakustischen Stabilität eines Heizungssystems. Aufwändige und eventuell nicht zielführende Experimente an teuren Prototypen werden dadurch hinfällig. Einfache gezielte Veränderungen an den geometrischen Parametern der Heizung im Modell ermöglichen Tests zum Einfluss passiver Stabilisierungsmaßnahmen auf die Systemcharakteristik. Ziel ist es neue, thermoakustisch stabile und emissionsärmere Betriebsbereiche zu erschließen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Hinsichtlich der Methoden wurden während des Projektes neue Erkenntnisse erzielt. Diese werden im April 2009 auf der ECM in Wien unter der Bezugsnummer A810093 von den Autoren veröffentlicht.


Fazit

Das gesamte Vorhaben kann als erfolgreich abgeschlossen angesehen werden. Für die Industrie ergibt sich durch die erzielten Ergebnisse die Möglichkeit emissionsärmere und energieeffizientere Heizungssysteme thermoakustisch stabil auszulegen. Innovationen wurden besonders bezüglich der etablierten Messmethoden erzielt.

Übersicht

Fördersumme

124.000,00 €

Förderzeitraum

11.07.2006 - 11.07.2008

Bundesland

Bayern

Schlagwörter

Klimaschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik