Entwicklung eines autothermen Poröses-Medium-Verdampfers zur Gemischaufbereitung für die Vormischtechnik

Development of an autothermal porous-media-vaporizer for the premix technique

  • Die Vormischtechnik, als eine effiziente und saubere Verbrennungsmethode, erfordert bei Flüssigbrennstoffen die vollständige Verdampfung des Brennstoffes vor der Vermischung mit Luft. Eine Methode für eine energetisch günstige Verdampfung bietet eine kontrollierte Teiloxidation des Brennstoffes und die Nutzung der dabei freigesetzten Energie zur Verdampfung des restlichen Brennstoffes. So kann auf eine externe Energiezufuhr verzichtet werden. Für einen derartigen, kontrollierten Umsatz eignen sich die so genannten Kalte-Flamme-Reaktionen (KFR), die im Niedertemperaturbereich eine Vorstufe der Selbstzündung von Kohlenwasserstoff-Luft Gemischen darstellen. Die KFR starten bei Temperaturen um 3Die Vormischtechnik, als eine effiziente und saubere Verbrennungsmethode, erfordert bei Flüssigbrennstoffen die vollständige Verdampfung des Brennstoffes vor der Vermischung mit Luft. Eine Methode für eine energetisch günstige Verdampfung bietet eine kontrollierte Teiloxidation des Brennstoffes und die Nutzung der dabei freigesetzten Energie zur Verdampfung des restlichen Brennstoffes. So kann auf eine externe Energiezufuhr verzichtet werden. Für einen derartigen, kontrollierten Umsatz eignen sich die so genannten Kalte-Flamme-Reaktionen (KFR), die im Niedertemperaturbereich eine Vorstufe der Selbstzündung von Kohlenwasserstoff-Luft Gemischen darstellen. Die KFR starten bei Temperaturen um 300°C und laufen in einem Temperaturbereich von 400- 500°C ab. Gelingt es, sie ohne Selbstzündung des Gemisches zu stabilisieren, liefern sie ausreichend Energie für eine vollständige Verdampfung des flüssigen Brennstoffes und die Erwärmung der zugeführten Luft. Die vorliegende Arbeit befasste sich mit der Stabilisierung der KFR mit Hilfe eines porösen Mediums (PM), und führte durch Nutzung der festgestellten Vorteile zur Konzeption eines autotherm betriebenen, kompakten Poröses-Medium-Verdampfers (PMV) für Heizöl EL. Zunächst wurden grundlegende Untersuchungen in einer einfachen Versuchsapparatur mit eingebautem PM durchgeführt. Unter definierten Anfangsbedingungen wurde durch Temperaturmessung die Wechselwirkung zwischen dem PM und den KFR parametrisch untersucht. Parallel wurden in einem durchsichtigen Modell der Apparatur durch Strömungssichtbar-machung die Strömungsvorgänge in der Mischungszone nachvollzogen. Die Ergebnisse beider Untersuchungen trugen zum Verständnis der thermischen und der strömungstechnischen Aspekte beim Einsatz des PM bei, und ermöglichten die Ermittlung der optimalen geometrischen Randbedingungen für den vorliegenden Aufbau. Der Einsatz des PM senkte den Anspruch auf die Sprayqualität, und gewährleistete einen stabilen Betrieb mit weitgehend marktüblichen Komponenten. Außerdem sorgte das PM dafür, dass die Verdampfung unabhängig vom Öldurchsatz vollständig und örtlich definiert abgeschlossen werden konnte. Im zweiten Schritt der Arbeit wurde, basierend auf den Ergebnissen der Voruntersuchungen, ein PMV für Heizöl EL entworfen, der eine betriebssichere, autotherme Stabilisierung der KFR in einem für die Kleinfeuerungstechnik interessanten Leistungsbereich ermöglichte und in der Lage war, flüssigen Brennstoff ohne externe Energiezufuhr vollständig in Gasphase umzuwandeln. Durch parametrische Experimentalstudien konnte der autotherme Betrieb unterstöchiometrisch in einem Leistungsbereich von 4-25kW nachgewiesen werden. Der Verdampfer wurde in Bezug auf Temperaturverteilung, Wärmeübertragung und Wärmefreisetzung charakterisiert. Je nach Luftzahl wurden 6 bis 12% der chemischen Energie des Heizöls im Verdampfer freigesetzt. Um Kaltstartmöglichkeiten für den PMV zu prüfen, wurden zwei Methoden untersucht: Vorwärmung mit elektrischen Heizelementen sowie Vorwärmung durch eine Pilotflamme im Verdampfer. Prinzipiell konnte das System durch beide Methoden auf Betriebstemperatur gebracht werden. Eine Pilotflamme von 12kW Leistung heizte das System in etwa einer Minute auf Betriebstemperatur auf, während mit elektrischen Heizelementen von insgesamt 650W acht Minuten notwendig waren. Nachdem der PMV in einem breiten Leistungsbereich autotherm betrieben werden konnte, wurde ein System aufgebaut, wo er zur Gemischbildung für einen Öl-Porenbrenner eingesetzt wurde. Das Brennersystem konnte zwischen P=6kW und 15kW autotherm betrieben werden. Abschließend wurde die Übertragbarkeit des Prinzips auf höhere Leistungen überprüft, um die Anwendungsmöglichkeiten des entwickelten Verdampfers zu erweitern. Es wurde ein PMV mit einer maximalen Leistung von 50kW ausgelegt. Auch hier konnte der autotherme Betrieb im angestrebten Leistungsbereich nachgewiesen werden. Der Vergleich der Temperaturverteilungen und der Wärmefreisetzungsverhalten zeigte, dass sich das Prinzip ohne Probleme auf 50kW übertragen lässt.show moreshow less
  • The premix-technique is an efficient and clean way of combustion. In case of liquid fuels re-quires this technique the complete vaporization of the fuel prior to the mixing with air. An energetically beneficial method is provided by a controlled partly oxidation of the fuel in or-der to use the released heat for the vaporization of the residual fuel. There is no need for an external heat source. Such a controlled oxidation may occur by the so called cool flame reactions (CFR) which can be described as a preliminary stage of self ignition of hydrocarbon-air mixtures. The CFR get initiated at about 300°C and they process at a temperature range of 400-500°C. Once stabilized avoiding self ignitiThe premix-technique is an efficient and clean way of combustion. In case of liquid fuels re-quires this technique the complete vaporization of the fuel prior to the mixing with air. An energetically beneficial method is provided by a controlled partly oxidation of the fuel in or-der to use the released heat for the vaporization of the residual fuel. There is no need for an external heat source. Such a controlled oxidation may occur by the so called cool flame reactions (CFR) which can be described as a preliminary stage of self ignition of hydrocarbon-air mixtures. The CFR get initiated at about 300°C and they process at a temperature range of 400-500°C. Once stabilized avoiding self ignition, they can generate enough energy for completely vapor-izing the liquid fuel and heating up the air to process temperature. The present work has dealt with the stabilization of the CFR with the help of porous media (PM) and led to the conception of an autothermal running compact porous-media-vaporizer (PMV) for heating oil extra light. First of all, basic investigations have been carried out on a simple setup with an integrated PM. Parametric studies of the interaction between the PM and the CFR have been carried out under well-defined initial conditions. In addition, the flow conditions in the mixing zone have been studied in a transparent model of the apparatus using flow visualization methods. The results of both of these experimental works helped for a better understanding of the ther-mal and flow-related aspects of the application of PM and for finding the optimum geometric conditions for the related setup. The application of PM reduced the demand on the spray quality and enabled a stable opera-tion even using costumary components. Furthermore, the PM made for a complete and locally defined vaporization independent of variable oil flow. In a second step of the studies a PMV for heating oil extra light has been designed based on the initial investigations. This unit allowed for a stable autothermal operating state of the CFR in a power range which is attractive for low power applications and could realize a complete vaporization of the liquid fuel without external energy input. By means of parametric experi-mental studies the autothermal operation could be proven under substoichiometric conditions in a power range of 4-25kW. The vaporizer has been characterized in matters of temperature distribution, heat transfer and heat release. Depending on the air excess ratio 6 to 12% of the chemical energy of the fuel got released in the vaporizer. In order to analyse the possibilities for a starting procedure two methods have been investi-gated: Electrical preheating and preheating via an initial pilot combustion in the vaporizer. Basically, the system could be heated up to the operation temperature by both practices. Real-izing a pilot combustion at 12kW the system could get to operation temperature in around one minute. Via electrical heating elements of 650W total power eight minutes were needed. After the verification of the autothermal operation in a wide power range the PMV has been coupled to a system in which it served for mixture supply to an oil-porous-burner. The com-bustion system could be run autothermal between P=6kW and 15kW. In a concluding step the possibility of scaling up the principle to higher powers has been in-vestigated in order to expand the field of applications of the developed device. A PMV of 50kW power has been configured. Also in this case the autothermal operation within the ex-pected power range could be proven. The comparison of temperature distribution and behavior of heat release showed that the principal could be applied to 50kW without any problems.show moreshow less

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Metadaten
Author:Hilmi Baris Ates
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-31727
Advisor:Franz Durst
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/03/23
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2011/07/11
Release Date:2012/03/23
Tag:Kalte Flamme Reaktionen; Poröses-Medium-Verdampfer; autotherme Verdampfung; poröses Medium
autothermal vaporization; cool flame reactions; porous media vaporizer
SWD-Keyword:Gemischbildung; Heizöl EL; Kalte Flamme; Verdampfer
Institutes:Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

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