TY - THES A1 - Nowitzki, Mario T1 - Development and validation of a gas-liquid two-phase model for industrial computational fluid dynamics applications T1 - Entwicklung und Validierung eines Gas-Flüssigkeit-Zweiphasenmodell für industrielle numerische Strömungssimulationen N2 - A local algebraic simulation model was developed, to determine the characteristic length scales for dispersed phases. This model includes the Ishii- Zuber drag model, the lift, the wall lubrication force and the turbulent dispersion force as well. It is based on the Algebraic Interface Area Density (AIAD) model from the Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR), which provides the morphology detection and the free surface drag model. The developed model is in agreement with the current state of knowledge based on an examination of the theory and of state of science models for interface momentum transfer. This new simulation model was tested on three different experiments. Two experiments can be found in the literature, the Fabre 1987 and the Hewitt 1987 experiment. And the third simulation is based on a steam drum experiment. This steam drum experiment is designed with ERK Eckrohrkessel GmbH internals and was developed to examine the droplet mass flow out of the turbulent separation stage. The implementation of all models and tests was performed using Ansys CFX. The first analysis was carried out to reproduce a wavy stratified flow to examine the effects of different simulation model set-ups according to the velocity and kinetic energy profiles, as well as the pressure drop gradient and the water level measured by Fabre 1987. The second analysis was a proof on concept for reproducing the vertical flow pattern by an experiment from Hewitt 1987. The third simulation analysed the water distribution in the steam drum and feeding pipes system as well as the droplet carryover into the gas phase in the turbulent separation region of the drum. These simulations have shown, that the accuracy of the particle distribution model in interaction with the drag and non-drag forces is able to reproduce horizontal and vertical flow patterns. Higher deviations are recognised for the liquid volume fraction close above the interface. Generally, simulations can now be performed to optimise industrial steam drum designs. N2 - Ein algebraisches Simulationsmodell, basierend auf lokalen Variablen, wurde entwickelt, zur Berechnung von charakteristischen Längen von dispersen Phasen. Dieses Modell beinhaltet das Ishii-Zuber Widerstandsmodell, die „lift“, die „wall lubrication“ und die „turbulent dispersion“ Kraft. Das Modell baut auf das „Algebraic Interface Area Density“ (AIAD) Modell, vom Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) auf, welches die Detektion der Morphologie der Strömung und das Widerstandsmodell der freien Oberfläche bereitstellt. Das entwickelte Modell basiert auf dem Stand der Technik, auf die Begutachtung der Theorie und auf Modelle für den Impulstransport an der Phasengrenzfläche, die Stand der Wissenschaft sind. Auf drei verschiedenen Experimenten wurde das Simulationsmodell angewendet. Die Experimente von Fabre 1987 und Hewitt 1987 wurden aus der Literatur entnommen. Das dritte Experiment war eine Dampftrommel, die entwickelt wurde, um den Tröpfenmassenstrom zu ermitteln, der aus der turbulenten Abscheidungszone mitgerissen wurde. Diese Dampftrommel basiert auf ein Design von ERK Eckrohrkessel GmbH. Die Implementierung und Erprobung wurde mit Ansys CFX durchgeführt. In der ersten Analyse sollte der Einfluss der verschiedenen Modelle auf das Geschwindigkeits-, das kinetische Energieprofil, den Druckgradienten und die Höhe der Phasengrenzfläche bezüglich einer Wellenströmung im Fabre 1987 Experimente untersucht werden. Die zweite Analyse war ein Machbarkeitsnachweis bezüglich eines vertikalen Zweiphasenströmung-Experimentes von Hewitt 1987. In einer dritten Analyse wurde die Wasserverteilung in einer Dampftrommel und den Zulaufrohren, sowie der mitgerissene Massenstrom an Tröpfchen aus der turbulenten Abscheidungszone, untersucht. Diese Simulationen haben gezeigt, dass die Genauigkeit des Partikelverteilungsmodells, den „drag“ und „non-drag“ Kräften ausreicht, um horizontale und vertikale Strömungsformen zu reproduzieren. Bei der Phasenverteilung über der Phasengrenzfläche sind größere Abweichungen zu erkennen. Generell eignet sich das Simulationsmodell, um eine Optimierung von Dampftrommeln jetzt durchzuführen. KW - CFD KW - Grenzfläche KW - Impulsübertragung KW - Zweiphasenströmung KW - Numerische Strömungssimulation KW - Two-phase flow KW - Particle interaction KW - Steam drum KW - Turbulence damping KW - Euler-Euler KW - Zweiphasenströmung KW - AIAD KW - Eötvös Zahl KW - Partikelverteilung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-54130 ER - TY - THES A1 - León de Syniawa, Larisa T1 - Development of a hierarchically detailed chemical reaction mechanism from C₃ to C₅ hydrocarbons T1 - Entwicklung eines hierarchisch detaillierten chemischen Reaktionsmechanismus von C₃- bis C₅-Kohlenwasserstoffen N2 - The oxidation of fuel molecules can be described by using a reaction mechanism, a tool that combines thermodynamic and transport properties with reaction rates to predict the behavior and sub-products at different temperatures, pressures and equivalence ratios. A detailed reaction mechanism helps to understand the fuel-specific pollutant formation process. The aim of this doctoral thesis is to generate a hierarchically-detailed chemical reaction mechanism from C3 to C5 hydrocarbons that can be used to understand the reaction decomposition pathways for different fuels at high temperature regime, e.g. propene, propane, butane isomers, butene isomers and pentene isomers. A new nomenclature based in the IUPAC rules, has been developed and implemented as part of this work. The naming follows the order of priority for choosing a principal characteristic group. These naming rules and some examples are explained here. As starting point for this investigation, the chemical model presented in Schenk et al. (2013) has been used. Thermodynamic data for sensitive species from C3 chemistry were revised and updated. Updates in reaction rates for n-butane (C4H10) and iso-butane (C4H10-Me2) are shown. The chemistry of the butene (C4H8) isomers have been revised and a correction taking into account the H-atom allyl abstraction is implemented. Laminar flame speeds and ignition delay times for the different isomers are presented and discussed together with experiments in similar conditions for burner-stabilized flame for the three butene and butane isomers. The high-temperature chemistry for branched and linear C5H10 species is implemented in the model. 2-Methyl-2-butene (C5H10-D2Me2) is the most interesting isomer because 9 of its 10 C-H atoms are in allylic position and it is compared to n-Pentane as an example of a linear molecule. The validation of a burner-stabilized flame, ignition delay time, and laminar flame speed experiments for these fuels are presented and discussed. The compilation strategy was used and it aims to continuously increase the number and type of targets for mechanism validation. N2 - Die Oxidation von Brennstoffmolekülen kann mit Hilfe eines Reaktionsmechanismus beschrieben werden, einem Werkzeug, das thermodynamische und Transporteigenschaften mit Reaktionsraten kombiniert, um das Verhalten und die Nebenprodukte bei verschiedenen Temperaturen, Drücken und Äquivalenzverhältnissen vorherzusagen. Ein detaillierter Reaktionsmechanismus hilft den Prozess der brennstoffspezifischen Schadstoffbildung zu verstehen. Das Ziel dieser Dissertation ist es, einen hierarchisch-detaillierten chemischen Reaktionsmechanismus von C3- bis C5-Kohlenwasserstoffen zu erstellen, der zum Verständnis der Reaktionsabbaupfade für verschiedene Brennstoffe im Hochtemperaturbereich führt, z. B. Propen, Propan, Butanisomere, Butenisomere und Pentenisomere. Eine neue Nomenklatur, die auf den IUPAC-Regeln basiert, wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt und eingeführt. Die Benennung erfolgt in der Reihenfolge der Priorität für die Wahl einer charakteristischen Hauptgruppe. Diese Benennungsregeln und einige Beispiele werden hier erläutert. Als Ausgangspunkt für diese Untersuchung wurde das chemische Modell in Schenk et al. (2013) vorgestellt. Thermodynamische Daten für sensible Spezies aus der C3-Chemie wurden überarbeitet und aktualisiert. Aktualisierungen der Reaktionsgeschwindigkeiten für n-Butan (C4H10) und iso-Butan (C4H10-Me2) werden dargestellt. Die Chemie der Buten (C4H8)-Isomere wurde überarbeitet und eine Korrektur unter Berücksichtigung der Allylabstraktion des H-Atoms wurde vorgenommen. Laminare Flammengeschwindigkeiten und Zündverzögerungszeiten für die verschiedenen Isomere werden vorgestellt und zusammen mit Experimenten unter ähnlichen Bedingungen für brennerstabilisierte Flamme für die drei Buten- und Butan-Isomere diskutiert. Die Hochtemperaturchemie für verzweigte und lineare C5H10-Spezies ist in das Modell implementiert. 2-Methyl-2-buten (C5H10-D2Me2) ist das interessanteste Isomer, da sich neun seiner zehn C-H-Atome in allylischer Stellung befinden und es mit n-Pentan als Beispiel für ein lineares Molekül verglichen wird. Die Validierung einer brennerstabilisierten Flamme, der Zündverzögerungszeit und der laminaren Flammengeschwindigkeit für diese Brennstoffe werden vorgestellt und diskutiert. Es wurde eine Kompilationsstrategie verwendet, die darauf abzielt, die Anzahl und Art der Ziele für die Validierung des Mechanismus zu erhöhen. KW - Reaction mechanism KW - Kinetics KW - Thermochemistry KW - IUPAC nomenclature KW - Reaktionsmechanismus KW - Thermochemie KW - Kinetik KW - IUPAC-Regeln KW - Thermochemie KW - Brennstoffverarbeitung KW - Kohlenwasserstoffe KW - Reaktionsmechanismus KW - IUPAC-Regel KW - Chemische Nomenklatur Y1 - 2022 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-61575 ER - TY - THES A1 - Wang, Xiaoxiao T1 - Kinetic mechanism of surrogates for biodiesel T1 - Kinetischer Mechanismus der Ersatzstoffe für Biodiesel N2 - In recent years, biodiesel is an alternative fuel to petroleum diesel that is renewable and creates less harmful emissions than conventional diesel. Biodiesel blends – usually B20 or below, have been the most commonly used biodiesel blends. In current study, the kinetic mechanism of n-decane/α-methylnaphthalene (AMN)/methyl-decanoate (MD) blend is developed and validated as the surrogate for biodiesel/diesel blends. The IDEA reference fuel (70% n-decane/30% AMN by liquid volume) was formulated in the past as a two-component diesel surrogate fuel. A comprehensive and compact oxidation model for the IDEA reference fuel is developed. One important fuel-fuel interaction pathway via reaction pathway of A2CH2 + HO2 is observed and detailed discussed. The IDEA blends are validated by comprehensive target experiments for n-decane, AMN, and the AMN/n-decane blends. Ignition delay times, flame speeds, and species composition in jet stirred reactor and counter flow flames are successfully simulated for a broad range of temperatures (500-2000 K) and pressures (1-50 bar). The simulations of the IDEA blend with current mod-el show acceptable agreement when compared with different experiments of ignition delay times for diesel fuels as well as flame speed experiments. With a chain of ten carbon atoms and a methyl-ester group attached, MD is considered as a one-component surrogate fuel for biodiesel. A comprehensive and compact kinetic model for MD is developed. The mechanism is critically tested by comparison of model predictions with experimental data over a wide temperature (500 to 1500 K) and pressure (1 to 20 bar) range and for different fuel/oxidizer ratios. The good maintenance of chemical information during the reduction has been confirmed by simulation results, as well as the sensitivity and flow analyses performed using the detailed and the skeletal model. The MD model is compared with available experimental ignition delay times of biodiesel fuels. The good agreement between the simulations and the experiments proves that this model is a reliable kinetic model for simulations, either used by itself or in combination with IDEA blend. To improve the mechanism analysis, this thesis introduces a new three-stage reactive flow analysis. The final skeletal n-decane/AMN/MD blend with skeletal base mechanism includes 295 species and 3500 reactions by using the CGR approach. Based on the above validations and comparisons, current blend is considered as one surrogate for biodiesel/diesel blends that is suitable for improving kinetic understanding and for application in engine simulations. N2 - In den letzten Jahren ist Biodiesel ein alternativer Kraftstoff für Petrodiesel, der erneuerbar ist und weniger schädliche Emissionen als herkömmlicher Dieselkraftstoff erzeugt. Gemischte Biodiesel, die in der Regel B20 oder unten ist, wurde am häufigsten verwendet. In der vorliegenden Arbeit wird der kinetische Mechanismus der Mischung vom n-Decan, dem α-Methylnaphthalin (AMN) und dem Methyldecanoat (MD) entwickelt und als Biodiesel-Dieselsurrogat validiert. Die IDEA Referenz Brennstoff (70% n-Decan/30% AMN) wurde in der Vergangenheit als zwei-Komponenten-Dieselsurrogat formuliert. Ein umfassendes und kompaktes Oxidationsmechanism für den IDEA Referenz Brennstoff wird entwickelt. Eine wichtige Interaktion über den Reaktionsweg von A2CH2 und HO2 wird beobachtet und dann ausführlich besprochen. Die IDEA Mischungen werden durch umfassende Experimente für n-Decan, AMN und die AMN-n-Decan-Mischungen validiert. Zündverzugszeiten, Flammengeschwindigkeiten, Stoffmengenanteile im Rührreaktoren (jet-stirred reactor) und Laborflammen werden erfolgreich für einen breiten Temperaturbereich (500-2000 K) und Drücke (1-50 bar) simuliert. Die Simulationen der IDEA mit dem aktuellen Modell zeigen akzeptable Übereinstimmung im Vergleich mit verschiedenen experimentellen Zündverzugszeiten und Flammengeschwindigkeiten von Dieselkraftstoff. MD gilt als zwei-Komponenten-Dieselsurrogat in Form von einer Kette, die aus zehn Kohlenstoffatomen und einem Methylester besteht. Ein umfassendes und kompaktes kinetisches Modell für MD wird entwickelt. Der Mechanismus wird kritisch durch Vergleich von Modellvorhersagen mit Experimenten über eine breite Temperatur (500 bis 1500 K) und Druck (1 bis 20 Bar) und für verschiedene Verhältnisse von Brennstoff/Oxidation getestet. Die chemischen Informationen während der Reduktion wurden durch die Simulationsergebnisse sowie durch Sensitivitätsanalysen und Strömungsanalysen bestätigt, die mit dem detaillierten und dem Skelettmodell durchgeführt wurden. Das MD Modell wird mit verfügbaren experimentellen Zündverzugszeiten von Biodiesel-Brennstoffen verglichen. Die gute Übereinstimmung zwischen den Simulationen und den Experimenten beweist, dass dieses Modell ein zuverlässiges kinetisches Modell für Simulationen ist, die entweder von selbst oder in Kombination mit IDEA-Mischungen verwendet werden. Um den Mechanismus zu verbessern, wird es in der Arbeit eine neue drei-stufige reaktive Strömungsanalyse eingeführt. Die endgültige Skelett n-Decan/AMN/MD-Mischung mit Skelett-Base-Mechanismus umfasst 295 Spezies und 3500 Reaktionen mit Hilfe der CGR-Methode. Basierend auf die oben genannten Validierungen und Vergleiche gilt diese Mischung als ein Biodiesel-Dieselsurrogat, das geeignet für die Verbesserung des kinetischen Verständnisses und für die Anwendung in Motor-Simulationen ist. KW - α-Methylnaphthalene KW - n-Decane KW - Methyl-Decanoate KW - Biodiesel-Dieselsurrogat KW - Biodiesel surrogate modeling KW - Kinetic modeling KW - α-Methylnaphthalin KW - n-Decan KW - Methyldecanoat KW - Kinetische Modellierung KW - Biodiesel KW - Kraftstoffherstellung Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-46687 ER - TY - THES A1 - Wiedemann, Philipp T1 - Modellierung und numerische Simulation der konvektiven Trocknung von Braunkohlepartikeln in einer blasenbildenden Wirbelschicht T1 - Mathematical modeling and numerical simulation regarding the convective drying of lignite particles in a bubbling fluidized bed N2 - In der vorliegenden Arbeit werden die Modellierung und die numerische Simulation von Strömung, Wärme- und Stofftransport zur Abbildung eines Trocknungsprozesses von Braunkohlepartikeln in einer blasenbildenden Wirbelschicht behandelt. Hierbei wird das Euler-Euler Two Fluid Model zugrunde gelegt und die Beschreibung des Fließverhaltens der Feststoffphase mittels der Kinetic Theory of Granular Flow realisiert. Ausgehend von einem Überblick zum aktuellen Stand der Forschung wird der Bedarf nach einer geeigneten Konfiguration von Modellparametern und Submodellen hinsichtlich der Strömungsmodellierung sowie nach der Implementierung eines Trocknungsmodells abgeleitet und als Zielsetzung formuliert. Experimentelle Voruntersuchungen an einer Wirbelschichtanlage im Labormaßstab schaffen die Datenbasis für die spätere Validierung des Modells. Dabei erfolgt zunächst eine Betrachtung einzelner Zustandspunkte von diskontinuierlichen Trocknungsprozessen, um die darin auftretenden, strömungstechnischen Veränderungen zu quantifizieren. Zur Bewertung werden die makroskopischen Eigenschaften sowie Charakteristiken meso- und mikroskaliger Strömungstrukturen herangezogen, die sich aus der Analyse von Druckfluktuationen ergeben. Des Weiteren werden die Trocknungsverläufe mehrerer Chargen für verschiedene Betriebsparameter aufgezeichnet. In einem ersten Untersuchungsschwerpunkt werden ausschließlich strömungsmechanische Aspekte fokussiert. Auf Basis umfangreicher Sensitivitätsanalysen zu den Einflüssen der rheologisch relevanten Parameter, der Impulsaustauschfunktion einschließlich der Partikelsphärizität und der Randbedingungen für Behälterwand und Gaseinlass, sowie durch Vergleiche mit den experimentellen Daten wird eine Parameterkonfiguration des Strömungsmodells vorgeschlagen. Die damit erzielten Ergebnisse sind insgesamt zufriedenstellend und geben die beobachteten Veränderungen im Trocknungsprozess korrekt wieder. Ursachen für bestehende Abweichungen zum Experiment werden diskutiert. Im zweiten Untersuchungsschwerpunkt wird der gesamte Trocknungsprozess betrachtet. Hierzu werden Wärme- und Stofftransportmechanismen innerhalb des Modells berücksichtigt, wobei die eigens implementierte Trocknungskinetik auf Ebene der Partikel ansetzt. Die Einflüsse der Sphärizität und zwei verschiedener Formulierungen zur Berechnung der Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten werden untersucht. Für den favorisierten Parametersatz werden die Simulationen mit einem expliziten Vorwärtsverfahren gekoppelt, wodurch die Trocknungsverläufe auf makroskopischer Zeitskale approximiert und somit mit den experimentellen Daten verglichen werden können. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene Gesamtmodell die Trocknungsverläufe bei niedrigen bis mäßigen Leerrohrgeschwindigkeiten zuverlässig abbilden kann. Auftretende Diskrepanzen werden diskutiert und weiterer Entwicklungsbedarf abgeleitet. N2 - The present thesis deals with mathematical modeling and numerical simulation of hydrodynamics, heat and mass transfer in order to reproduce the drying process of lignite particles inside a bubbling fluidized bed. The Eulerian-Eulerian Two Fluid Model is applied and the rheological behavior of the solid phase is modeled by means of Kinetic Theory of Granular Flow. On the basis of a literature review the demand for an appropriate configuration of parameters and sub-models of the hydrodynamic model as well as for the implementation of a drying model is deduced and treated as objective of the study. The database for validation purposes is created by preliminary experiments with a lab-scale fluidized bed apparatus. At first, several single points of a batch drying process are investigated in order to quantify the changes in the flow behavior that occur during the process. The evaluation is accomplished by macroscopic properties as well as characteristics of meso- and microscopic flow structures that are taken from analysis of pressure fluctuations. Furthermore, the drying curves of several samples are recorded at different operating conditions. The first part of the investigation focuses on hydrodynamics exclusively. Basing on extensive sensitivity analyses for investigating the influence of rheological parameters, the drag function including the particle sphericity, the wall and inlet boundary conditions, as well as by comparison with experimental data, a suitable parameter configuration is proposed for the hydrodynamic model. The corresponding results of the simulations are satisfactory and correctly reproduce the changes of the flow. Deviations in comparison to the experiments are discussed. Secondly, heat and mass transfer mechanisms are considered in order to describe the drying process. The implemented drying kinetics are modeled on particle scale. The numerical investigations encompass the influence of particle sphericity and two different correlations for calculating the heat and mass transfer coefficients. Subsequently, simulations with the favored parameter set are performed in combination with the explicit Euler method, which enables the approximation of the drying process on macroscopic time scale and thus comparison with the experimental data. It is shown that the proposed model is capable for reproducing the drying behavior at low and moderate superficial gas velocities. Existing discrepancies are discussed and need for further research and development is derived. KW - Numerische Strömungssimulation KW - Wirbelschicht KW - Trocknung KW - Braunkohle KW - Two Fluid Model KW - Computational fluid dynamics KW - Fluidized bed KW - Drying KW - Lignite KW - Two Fluid Model KW - Braunkohle KW - Konvektionstrocknung KW - Wirbelschichtverfahren KW - Numerische Strömungssimulation Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48439 ER - TY - THES A1 - Shrestha, Krishna Prasad T1 - Detailed kinetic modeling of ammonia combustion T1 - Detaillierte kinetische Modellierung von Ammoniakverbrennung N2 - In this thesis, a detailed chemical kinetic mechanism is developed to predict the oxidation of ammonia. The main aim is to cover the most important features of ammonia combustion - laminar flame speed, auto-ignition timing, emission formation, speciation in different reactors, and subsequently to study fuel/NOₓ interaction. Each elementary reaction in the mechanism is carefully reviewed based on several published literature, both experimental and theoretical rate parameters are selected accordingly. A wide range of published experimental data in multi-setup experiments are selected - in freely propagating and burner stabilized premixed flames and in shock tubes and jet-stirred and flow, reactor to assess the performance of the developed mechanism. The reaction mechanism also considers the formation of nitrogen oxides and the reduction of nitrogen oxides depending on the conditions of the surrounding gas phase. The experimental data from the literature are interpreted with the help of the kinetic model developed in this thesis. N2 - In dieser Arbeit wurde ein detaillierter Reaktionsmechanismus zur Vorhersage der Ammoniakverbrennung entwickelt. Das Hauptziel bestand darin, die wichtigsten Merkmale der Ammoniakverbrennung zu erfassen, wie laminare Flammengeschwindigkeit, Zündverzugszeit, Schadstoffbildung, Speziesbildung in verschiedenen Reaktoren, und anschließend die Wechselwirkung zwischen Brennstoff und NOₓ zu untersuchen. Jede Elementarreaktion im Reaktionsmechanismus wurde sorgfältig auf der Grundlage verschiedener veröffentlichter Daten überprüft, und die experimentellen als auch theoretischen Reaktionsgeschwindigkeitsparameter wurden entsprechend ausgewählt. Um die Genauigkeit des entwickelten Reaktionsmechanismus zu bewerten, wurde eine breite Palette veröffentlichter experimenteller Daten für verschiedene Versuchsaufbauten ausgewählt, wie sich frei ausbreitende und brennerstabilisierte vorgemischte Flammen, Stoßwellenrohr, strahlgerührte Reaktoren und Flussreaktoren. Der Reaktionsmechanismus beschreibt auch die Bildung von Stickoxiden und die Reduktion von Stickoxiden in Abhängigkeit von den Bedingungen der umgebenden Atmosphäre. Die experimentellen Daten aus der Literatur wurden mit Hilfe des in dieser Arbeit entwickelten kinetischen Modells interpretiert. KW - Ammonia KW - Hydrogen KW - Syngas KW - Combustion KW - NOx KW - Ammoniak KW - NOx KW - Verbrennung KW - Wasserstoff KW - Synthesegas KW - Ammoniak KW - Verbrennung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-57099 ER - TY - THES A1 - Merzsch, Matthias T1 - Wärmeübergang und Druckverlust bei der Kondensation von Wasserdampf im horizontalen Rohr bei Drücken bis 10 bar T1 - Heat transfer and pressure loss during condensation of steam in a horizontal pipe at pressures up to 10 bar N2 - In der vorliegenden Arbeit wird die Kondensation von Wasserdampf im horizontalen Rohr bei Drücken bis 10 bar im Hinblick auf das Wärmeübertragungsverhalten und die entstehenden Druckdifferenzen untersucht. Um hierfür eine entsprechende Ausgangsbasis zu schaffen, werden im ersten Teil der Arbeit die bereits veröffentlichten experimentellen Untersuchungen zum Thema zusammengefasst und diskutiert. Anschließend werden die vorhandenen theoretischen Grundlagen der Hydrodynamik von Zweiphasenströmungen sowie zum Wärmeübertragungsverhalten dargelegt. Dabei wird jeweils auf die bestehenden Schwierigkeiten bei der physikalischen Beschreibung der Phänomene und damit einhergehenden Unsicherheiten bei der Berechnung von Zielgrößen aufmerksam gemacht. Zur Berechnung des Reibungsdruckverlustes werden die Modelle von Friedel und Lockhart/Martinelli und zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten die Modelle von Thome, Shah, Cavallini, Numrich/Müller, Dobson/Chato sowie Huhn gegenübergestellt. Der eigentliche Schwerpunkt der Arbeit liegt daran anschließend bei der experimentellen Bestimmung der beiden Zielgrößen - spezifischer Druckverlust und Wärmeübergangskoeffizient - bei absoluten Sattdampfdrücken zwischen 4…10 bar und Eintrittsgeschwindigkeiten bis 21,5 m/s. Die Entwicklung und die Errichtung der hierzu erforderlichen Versuchsapparatur erfolgten im Rahmen dieser Arbeit. Mit acht geometrisch identischen Doppelrohrwärmeübertragern (Innendurchmesser Kondensationsrohr: 20,5 mm) lassen sich die benötigten lokalen Temperaturinformationen in Abhängigkeit des Kondensationsfortschrittes generieren, indem unter Konstanthalten der Ein- bzw. Austrittsbedingungen (Sattdampfdruck und -massenstrom, Kühlwassertemperatur und -durchsatz) die Anzahl durchströmter Wärmeübertrager variiert wird. Mit in Summe 63 Versuchspunkten bei drei Druckstufen und jeweils fünf Eintrittsgeschwindigkeiten werden 15 Wärmeübergangs- und Druckverlustverläufe als Funktion des Kondensatanteils bzw. der Rohrlängskoordinate ermittelt. Der Vergleich der experimentellen Befunde mit den vorgestellten und bekannten Theorien zeigt zum Teil starke Abweichungen und nicht wiedergegebene Abhängigkeiten. Die mittleren relativen Abweichungen zwischen experimentellen und von den bestehenden Modellvorstellungen berechneten Wärmeübergangskoeffizienten liegen zwischen 16…42 %. Ausgehend von den experimentellen Befunden dieser Arbeit werden Berechnungsgleichungen für den lokalen Wärmeübergangskoeffizienten sowie den spezifischen Druckverlust entwickelt. Der darüber hinaus durchgeführte Abgleich mit experimentellen Befunden aus der Literatur führt dazu, dass ein breiterer Parameterbereich erfasst wird, als der in dieser Arbeit experimentell untersuchte. Die entwickelten Berechnungsmodelle ermöglichen eine deutlich bessere Vorhersage von Wärmeübergang und Druckverlust als die bestehenden Modellvorstellungen. Aufgrund der komplexen Phänomenologie des Kondensationsprozesses im horizontalen Rohr bleibt eine Extrapolation dennoch mit Risiken verbunden. Die empfohlene Vorgehensweise zur Weiterentwicklung des Wissensstandes auf diesem Gebiet wird im Ausblick der Arbeit gegeben. N2 - In this dissertation, the condensation of water vapour in a horizontal pipe at pressures up to 10 bar is investigated with regard to the heat transfer behaviour and the resulting pressure differences. In order to create an appropriate starting point, the first part of the work summarizes and discusses the already published experimental studies on the topic. Subsequently, the existing theoretical foundations of the hydrodynamics and the heat transfer behaviour of two-phase flows are presented. In each case, attention is drawn to the existing difficulties in the physical description of the phenomena and the associated uncertainties in the calculation of target values. To calculate the friction pressure loss, the models of Friedel and Lockhart/Martinelli and to calculate the heat transfer coefficient, the models of Thome, Shah, Cavallini, Numrich/Müller, Dobsen/Chato and Huhn are compared. The actual focus of this work is the experimental determination of the two target variables – specific pressure drop and heat transfer coefficient – at absolute saturated steam pressures between 4...10 bar and inlet velocities up to 21.5 m/s. The development and installation of the necessary test equipment was carried out within the scope of this work. With eight geometrically identical double-pipe heat exchangers (inner diameter of condensation pipe: 20.5 mm), the required local temperature information can be generated depending on the progress of the condensation. The inlet and outlet conditions (saturated steam pressure and mass flow, cooling water temperature and flow rate) were kept constant, while the number of flow heat exchangers varied. With a total of 63 test points at three pressure stages and five inlet speeds each, 15 heat transfer and pressure loss curves were determined as a function of the condensate content or the pipe longitudinal coordinate. The comparison of the experimental findings and the presented and known theories partly shows strong deviations. Furthermore, dependencies could not be confirmed based on the results of the experiments. The mean relative deviations between the experimental heat transfer coefficients and those calculated from existing models are between 16...42 %. Based on the experimental findings of this work, calculation equations for the local heat transfer coefficient and the specific pressure drop were developed. The additional comparison with experimental findings from the literature leads to a broader range of parameters being covered than those experimentally investigated in this work. The calculation models developed enable a significantly better prediction of heat transfer and pressure loss than the existing models. However, due to the complex phenomenology of the condensation process in horizontal pipes, extrapolation still involves risks. The recommended procedure for further research in this field is given in the outlook of this work. KW - Kondensation KW - Wärmeübergang KW - Druckverlust KW - Wasserdampf KW - Horizontales Rohr KW - Condensation KW - Heat transfer KW - Pressure loss KW - Steam KW - Horizontal pipe KW - Kondensatorrohr KW - Wasserdampf KW - Kondensation KW - Wärmeübergang KW - Druckabfall Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-50775 ER - TY - THES A1 - Netzer, Corinna T1 - Simulation and assessment of engine knock events T1 - Simulation und Bewertung motorischer Klopfereignisse N2 - Sophisticated engine knock modeling supports the optimization of the thermal efficiency of spark ignition engines. For this purpose the presented work introduces the resonance theory (Bradley and co-workers, 2002) for three-dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) and for the zero-dimensional Spark Ignition Stochastic Reactor Model (SI-SRM) simulations. Hereby, the auto-ignition in the unburnt gases is investigated directly instead of the resulting pressure fluctuations. Based on the detonation diagram auto-ignition events can be classified to be in acceptable deflagration regime or possibly turn to a harmful developing detonation. Combustion is modeled using detailed chemistry and formulations for turbulent flame propagation. The use of detailed chemistry caters for the prediction of physical and chemical properties, such as the octane rating, C:H:O-ratio or dilution. For both models, the laminar flame speed is retrieved from surrogate specific look-up tables compiled using the reaction mechanism for Ethanol containing Toluene Reference Fuels by Seidel (2017). In the fresh gas zone, the scheme is used for auto-ignition prediction. For this purpose, the G-equation coupled with a Well-Stirred-Reactor model is applied in RANS. In analogy, in the SI-SRM the combustion is modeled using a two zone model with stochastic mixing between the particles. RANS is used to develop the knock classification methodology and to analyze in detail location, size and shape of the auto-ignition kernels. RANS estimates the ensemble average of the process and therefore cannot reproduce a developing detonation. Hence, Large Eddy Simulation (LES) is used to verify the methodology. Studies using wide ranges of surrogates with different octane rating and cycle-to-cycle variations are carried out using the computationally efficient SI-SRM. Cyclic variations are predicted based on stochastic mixing, stochastic heat transfer to the wall, varying exhaust gas recirculation composition and imposed probability density functions for the inflammation time and the scaling of the mixing time retrieved from RANS. The methodology is verified for spark timing and octane rating. It is shown that the surrogate formulation has an important impact on knock prediction. RANS is suitable to predict the mean strength of auto-ignition in the unburnt gas if the thermodynamic and chemical state of the ignition kernel is analyzed instead of the pressure gradients. The probability of the transition to knocking combustion can be determined. Good agreement between RANS and SI-SRM are obtained. The combination of both tools gives insights of local effects using RANS and the distribution of auto-ignition in the whole pressure range of an operating point using SI-SRM with reasonable computationally cost for development purposes. N2 - Detaillierte Klopfmodelle unterstützen den Entwicklungsprozess zur Optimierung des thermischen Wirkungsgrads von Ottomotoren. Die vorliegende Arbeit diskutiert einen neuen Ansatz zur Bewertung von motorischen Klopfen mittels der Resonanztheorie (Bradley und Kollegen, 2002) für die Nutzung in dreidimensionalen Reynolds-Averaged Navier-Stokes Simulationen (RANS) und im nulldimensionalen Spark Ignition Stochastic Reactor Model (SI-SRM). Hierbei wird die Selbstentzündung in den unverbrannten Gasen direkt untersucht anstatt der resultierenden Druckwelle. Mit Hilfe des Detonationsdiagramms können Selbstzündungsereignisse klassifiziert und der mögliche Übergang zu einer schädlichen, sich aufbauenden Detonation bestimmt werden. Die vorgemischte Verbrennung wird mittels detaillierter Chemie und einer Beschreibung der turbulenten Flammenausbreitung modelliert. Die Verwendung von detaillierter Chemie ermöglicht die Vorhersage physikalischer und chemischer Prozesse, zum Beispiel, abhängig von der Oktanzahl, dem C:H:O-Verhältniss oder der Verdünnung. Für beide Modelle wird die laminare Flammengeschwindigkeit aus Tabellen abgerufen, die unter Verwendung des Reaktionsmechanismus für Ethanol haltige Toluol-Referenzkraftstoffe (ETRF) von Seidel (2017) unter Berücksichtigung der Zusammensetzung des Ersatzkraftstoffes erstellt werden. In den unverbrannten Gasen wir der Reaktionsmechanismus für die Simulation der Selbstzündung genutzt. Zu diesem Zweck wird in RANS die G-Gleichung mit einem Well-Stirred-Reactor (WSR) Modell gekoppelt. In Analogie wird im SI-SRM ein Zwei-Zonen-Modell mit stochastischer Mischung der Partikel verwendet. RANS wird zur Entwicklung der Methodik zur Klopfbewertung und zur detaillierten Analyse von Position, Größe und Form der Selbstentzündungskerne verwendet. RANS liefert ensemble-gemittelte Größen und kann daher eine entstehende Detonation nicht auflösen. Daher wird die Methodik mit Large Eddy Simulationen (LES) verifiziert. Für Studien, die viele verschiede Ersatzkraftstoffe mit unterschiedlichen Oktanzahlen und zyklische Schwankungen untersuchen, wird das SI-SRM aufgrund der kurzen Rechenzeiten genutzt. Zyklische Schwankungen werden basierend auf stochastischem Mischen der virtuellen Partikeln, stochastischem Wärmeübergang zur Wand, variierende Zusammensetzung der zurück geführten Abgase und vorgegeben Verteilungsfunktionen für Entflammung und Mischungszeit modelliert. Die Methodik wurde hinsichtlich der Reaktion auf Zündzeitpunkt und Oktanzahl verifiziert. Die Zusammensetzung des Ersatzkraftstoffs hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Vorhersage des motorischen Klopfens. RANS ist geeignet, die mittlere Stärke der Selbstzündung im unverbrannten Gas vorherzusagen, wenn der thermodynamische und chemische Zustand des Zündkerns analysiert wird anstatt des Druckgradientens. Die Wahrscheinlichkeit des Übergangs zu einer sich aufbauenden Detonation (Klopfen) kann bestimmt werden. Die Ergebnisse von RANS und SI-SRM stimmen gut überein. Die Kombination beider Werkzeuge ermöglicht die Untersuchung lokaler Effekte (RANS) und die Verteilung der Selbstzündung über die gesamte Ausdehnung des maximalen Druckes eines Betriebspunktes (SI-SRM) mit vertretbarem rechnerischem Aufwand für den Einsatz in der Motorenentwicklung. KW - Engine knock KW - Detailed chemistry KW - Computational fluid dynamics KW - Stochastic reactor model KW - Resonance theory KW - Motorisches Klopfen KW - Detaillierte Chemie KW - Numerische Strömungssimulation KW - Stochastisches Reaktormodell KW - Resonanztheorie KW - Ottomotor KW - Selbstzündung KW - Numerische Strömungssimulation Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48771 ER - TY - THES A1 - Nawdiyal, Amruta T1 - The influence of allylic site abstraction reactions of olefin on cyclo-paraffin formation T1 - Der Einfluss allylischer Site-Abstraktionsreaktionen von Olefin auf die Bildung von Cycloparaffin N2 - This thesis is a combined work of understanding the high temperature oxidation chemistry of cycloalkanes viz. methylcyclohexane based on previously developed cyclohexane and extending it to generate the larger n-propylcyclohexane chemical kinetic mechanism. The detailed kinetic reaction mechanism model for the oxidation of 1-hexene previously developed has been added to account for the ring opening of cyclohexane forming 1-hexene. As an update to the publication, preference of allylic H-abstractions from 1-hexene has been taken into account and retro-ene reaction producing propene has been added. The complete model is composed of 329 species and 2065 reactions with 3796 reversible elementary reactions. Further, these models have been validated against different experiments such as shock tubes, jet stirred reactors and laminar flames to cover full range of temperatures, pressures and equivalence ratios making the models comprehensive and was found to be adequate to satisfactorily reproduce the experimental data. The allylic radicals (C₆H₁₁-D1R3) preferred abstractions from 1-hexene improves the C₆H₁₁ profiles in the 1-hexene model. But it also influences the otherwise isomerization path of C₆H1₁₁-D1R6 to CYC₆H₁₁ (Cyclohexyl radical) which would further form cyclohexene (CYC₆H₁₀). It is observed that CYC₆H₁₀ profiles in 1-hexene flames and cyclohexane speciation are over-predicted. The major decomposition pathway of the cycloalkanes is through H-abstractions on the ring. The path which leads towards ring opening to form olefin is observed for cyclohexane and methylcyclohexane but is very low. The fulvene pathway influence on benzene profiles of 1-hexene is obvious but do not seem to affect the cycloalkanes. This infers there are other benzene formation pathways in cycloalkanes. Some possible pathways would be the dehydrogenation of dienes and dehydrogenation of cyclo-olefins. N2 - Diese Arbeit vereint das Verständnis der Hochtemperatur-Oxidationschemie von Cycloalkanen bzw. Methyl-Cyclohexan und deren Erweiterung zur Entwicklung des n-Propylcyclohexan Reaktionsmechanismus basierend auf der Cyclohexan Chemie. Um die Ringöffnung von Cyclohexan zur Bildung von 1-Hexen zu berücksichtigen, wurde das zuvor publizierte detaillierte kinetische Modell für 1-Hexen hinzugefügt. Als Erweiterung zu der Veröffentlichung, wurde die allylische H-Abstraktion von 1-Hexen und die Retro-En Reaktion zur Herstellung von Propen mitberücksichtigt. Das vollständige detaillierte kinetische Modell besteht aus 329 Spezies und 2065 reversiblen Reaktionen. Das kinetische Modell wurde für Stoßwellenrohr-, Flussreaktor- und Flammen Experimente bei verschiedenen Temperaturen, Drücken und Kraftstoff-Luft-Verhältnissen validiert. Die Ergebnisse zeigen dabei eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten und untermauern die Allgemeingültigkeit des kinetischen Modells. Die allylischen Radikale (C₆H₁₁-D1R3) entstehen dabei vornehmlich aus der Abstraktion von 1-Hexen und verbessern die Prognose der C₆H₁₁ Verläufe. Zusätzlich beeinflussen sie den Isomerisierungspfad von C₆H₁₁-D1R6 zu Cyclohexyl Radikalen (CYC₆H₁₁), welche anschließend Cyclohexen (CYC₆H₁₀) bilden. Dabei wird beobachtet, dass die CYC₆H₁₀ Verläufe bei 1-Hexen Flammen und Cyclohexan Speziesbestimmung überschätzt werden. Die Ring-H-Abstraktion ist hier die wichtigste Zerfallsreaktion von Cycloalkanen. Die Reaktion zur Ringöffnung zur Bildung von Olefinen läuft über Cyclohexan und Methyl-Cyclohexan ab und ist eher schwach. Der Reaktionsweg über Fulven beeinflusst die Bildung von Benzol bei 1-Hexen, zeigt aber keinen Einfluss auf die Entstehung von Cycloalkanen. Daraus wird gefolgert, dass es andere Bildungspfade für Benzol bei Cycloalkanen gibt. Mögliche Bildungspfade sind die Dehydrierung von Dienen und Cyclo-Olefinen. KW - Kinetic modelling KW - Simulation KW - Reaction mechanism KW - Cycloparaffins KW - Olefins KW - Kinetische Modellierung KW - Simulation KW - Reaktionsmechanismus KW - Cycloparaffine KW - Olefine KW - Cyclohexan KW - Methylcyclohexan KW - Reaktionsmechanismus KW - Kinetik KW - Modell Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48522 ER - TY - THES A1 - Posselt, Joachim T1 - Entwicklung eines Berechnungsmodells zur thermisch-geometrischen Dimensionierung eines Druck-Wirbelschicht-Verdampfungstrockners mit Tauchheizflächen am Beispiel polydisperser Braunkohle T1 - Development of a numerical model for thermal-geometric dimensioning of a pressurized steam fluidized bed dryer with immersion heating surfaces using the example of polydisperse lignite N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Berechnungsmodell zur thermisch-geometrischen Dimensionierung eines kontinuierlich arbeitenden Druck-Wirbelschicht-Verdampfungs-Trockners mit Tauchheizflächen für polydisperse Braunkohle erstellt. Zunächst wurde auf Basis experimenteller Ergebnisse eine strukturell optimierte Grundgleichung zur Beschreibung des zeitlichen Feuchteverlaufes entwickelt. Dabei wurden die Besonderheiten des Trocknungsgutes (z.B. die Polydispersität und die Ausbildung einer Gleichgewichtsfeuchte) berücksichtigt. Mit Hilfe der für den Trockner aufgestellten Energiebilanzen wurde ein Modell zur Beschreibung des zeitlichen Verdampfungstrocknungsverlaufes entwickelt. Dabei wurde auch der Einfluss des Druckes in den Subgleichungen und Stoffwertberechnungen berücksichtigt. (Der Überdruck ist einer der Hauptunterschiede der DDWT zu zahlreichen anderen Trocknungsverfahren). Weiterführend wurde unter Anwendung der Gleichungen zur Beschreibung der wirbelschicht-bedingten asymmetrischen Verweilzeitverteilung ein Gesamtmodell – das Trockner-Auslegungs-Modell (TRAM) – entwickelt und die Modellarchitektur detailliert beschrieben. N2 - In this work, a calculation model for thermal-geometric dimensioning of a continuous working pressurized fluidized bed evaporation dryer with an immersed heating tube-bundle for polydisperse lignite was developed. First, a structurally optimized basic equation describing the time course of moisture has been developed based on experimental results. The special features of the drying material were considered (for example the polydispersity and the formation of an equilibrium moisture content). With the aid of the developed energy balances of the dryer a model to describe the temporal evaporation-drying curve was developed. Also the influence of the pressure was considered in the sub-equations and the physical property-value calculation. (Overpressure is one main difference of the pressurized steam fluidized bed drying process (PSFBD) compared to the numerous other drying processes). Beyond this equations for description of the asymmetric residence time distribution of the continuous fluidized bed dryer were included to an overall model the so called dryer dimensioning model (TRAM). KW - Dampfwirbelschicht-Trocknung KW - Verdampfungstrocknung KW - Wirbelschicht KW - Trocknungsmodelle KW - Asymmetrische Verweilzeitverteilung KW - Steam fluidized bed drying KW - Evaporation drying KW - Fluidized bed KW - Drying models KW - Asymmetric residence time distribution KW - Braunkohle KW - Trocknung KW - Wirbelschichtverfahren KW - Verweilzeitverteilung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-47062 ER - TY - THES A1 - Franken, Tim T1 - Multi-objective optimization of stochastic engine models T1 - Multi-kriterielle Optimierung von stochastischen Motormodellen N2 - This thesis summarizes the author’s developments of combustion models and multi-objective optimization methods for gasoline and diesel engines. The combustion models belong to the family of zero-dimensional stochastic reactor models introduced in the 1990s to improve the prediction of emissions with detailed chemistry in partially stirred reactors. The first part introduces the fundamentals of the physical and chemical models describing the combustion process. As a novelty, k−ε turbulence models were implemented in the stochastic reactor model to predict the turbulent time and length scales in gasoline and diesel engines. This development allowed an improvement of the models for convective heat transfer, fuel evaporation, gas exchange across the valves, turbulent flame propagation and crevice flow, which depend on the turbulent time and length scales. In the second part, the multi-objective optimization platform for automatic training of the stochastic reactor model is presented. The optimization method considers multiple operating points to find a set of model parameters that predict performance and emissions over the entire engine map. The Non-domination Sorting Genetic Algorithm II is combined with the stochastic reactor model and response surface models to find the best Pareto front. Multi-criteria decision making is used to select the best designs from the Pareto front. Finally, the third part of this thesis deals with the validation of the stochastic reactor model and the multi-objective optimization platform. For this purpose, experiments of two single-cylinder research engines with spark ignition, one passenger car engine with compression ignition and one heavy duty engine with compression ignition are used. For the spark ignition engines, a set of model parameters was found that predicts well the power and emissions over the whole engine map. The calculated turbulent kinetic energy, dissipation, and angular momentum follow the trends of the three-dimensional computational fluid dynamic simulations to a good approximation for various operating points. For the two compression ignition engines, the prediction of combustion progress and nitrogen oxide emissions are in good agreement with the experiments. Larger discrepancies were found for the prediction of carbon monoxide and unburned hydrocarbon. Optimization of the soot model parameters improves the prediction of soot mass for operating points throughout the engine map. N2 - Diese Arbeit fasst die Entwicklungen des Autors von Verbrennungsmodellen und multi-kriteriellen Optimierungsmethoden für Benzin- und Dieselmotoren zusammen. Die Verbrennungsmodelle gehören zur Familie der nulldimensionalen stochastischen Reaktormodelle, die in den 1990er Jahren eingeführt wurden, um die Vorhersage von Emissionen mit detaillierter Chemie in teilweise gerührten Reaktoren zu verbessern. Im ersten Teil werden die Grundlagen der physikalischen und chemischen Modelle zur Beschreibung des Verbrennungsprozesses vorgestellt. Als Neuheit wurden k-ε-Turbulenzmodelle in das stochastische Reaktormodell implementiert, um die turbulenten Zeit- und Längenskalen in Benzin- und Dieselmotoren vorherzusagen. Diese Entwicklung ermöglichte eine Verbesserung der Modelle für konvektive Wärmeübertragung, Kraftstoffverdampfung, Gasaustausch über die Ventile, turbulente Flammenausbreitung und Spaltströmung, die von den turbulenten Zeit- und Längenskalen abhängen. Im zweiten Teil wird die multi-kriterielle Optimierungsplattform für das automatische Bedaten des stochastischen Reaktormodells vorgestellt. Die Optimierungsmethode berücksichtigt mehrere Betriebspunkte, um eine Reihe von Modellparametern zu finden, die Verbrennung und Emissionen über das gesamte Motorkennfeld vorhersagen. Der "Non-Domination Sorting Genetic Algorithm II" wird mit dem stochastischen Reaktormodell und Ersatzmodellen kombiniert, um die beste Pareto-Front zu finden. Zur Auswahl der besten Punkte aus der Pareto-Front wird eine multi-kriterielle Entscheidungsfindung eingesetzt. Der dritte Teil dieser Arbeit befasst sich schließlich mit der Validierung des stochastischen Reaktormodells und der multi-kriteriellen Optimierungsplattform. Zu diesem Zweck werden Experimente von zwei Einzylinder-Forschungsmotoren mit Fremdzündung, einem Pkw-Motor mit Selbstzündung und einem Schwerlastmotor mit Selbstzündung verwendet. Für die Fremdzündungsmotoren wurde ein Satz von Modellparametern gefunden, der die Verbrennung und die Emissionen über das gesamte Motorkennfeld gut vorhersagt. Die berechnete turbulente kinetische Energie, die Dissipation und der Drehimpuls folgen den Trends einer dreidimensionalen numerischen Strömungssimulationen in guter Näherung für verschiedene Betriebspunkte. Bei den beiden Selbstzündungsmotoren stimmen die Vorhersagen für den Verbrennungsfortschritt und die Stickoxidemissionen gut mit den Experimenten überein. Größere Abweichungen wurden bei der Vorhersage von Kohlenmonoxid und unverbranntem Kohlenwasserstoff festgestellt. Die Optimierung der Rußmodellparameter verbessert die Vorhersage der Rußmasse für Betriebspunkte im gesamten Motorkennfeld. KW - Stochastic reactor model KW - Multi-objective optimization KW - Turbulence modelling KW - Emissions KW - Internal combustion engine KW - Stochastisches Reaktormodell KW - Multi-kriterielle Optimierung KW - Turbulenzmodellerierung KW - Emissionen KW - Verbrennungsmotor KW - Verbrennungsmotor KW - Abgasemission KW - Turbulenz KW - Stochastisches Modell KW - Optimierung Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66335 ER - TY - THES A1 - Israel, Johannes T1 - Sabatierbasierte autothermale katalytische Rauchgasmethanisierung im Technikumsmaßstab und Rückverstromung im BHKW T1 - Sabatier based autothermal catalytic methanation of flue gas in scale of a demonstration plant and reconversion in a CHP N2 - Es konnte gezeigt werden, dass die direkte Methanisierung des Kohlenstoffanteils aus Rauchgas auf Grundlage der Sabatier-Reaktion im Rahmen des Power-to-Gas Ansatzes unter realen Bedingungen im Technikumsmaßstab möglich ist. Es wurde ein Durchsatz von knapp 235 kg/d CO2 bei einer Gesamtraumgeschwindigkeit der Eduktgase von ca. 1500 h-1, was einem Durchfluss von 45 Nm³/h bei einem Reaktorvolumen von 30 dm³ entspricht, erreicht. Dabei wurde das Kohlenstoffdioxid direkt, ohne weitere Aufarbeitung des Rauchgases, mit mindestens 60% Umsatz katalytisch zu Methan reduziert. Dafür wurde ein Katalysator auf Nickelbasis verwendet. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass für eine autotherme Betriebsweise der Methanisierung von Rauchgas der Sauerstoffanteil im Rauchgas eine notwendige Voraussetzung darstellt. Es hat sich dabei herausgestellt, dass das vorliegende Intervall von 4 - 6 Vol % Sauerstoffanteil im Rauchgas aus konventionellen Braunkohlekraftwerken genau in dem notwendigen Bereich liegt, der für eine ausgeglichene Wärmebilanz sorgt. Die bei der Wasserstoff-Sauerstoffreaktion zusätzlich frei werdende Wärme gleicht den kühlenden Effekt des mitgetragenen Stickstoffes genau aus, wodurch die für die Sabatier-Reaktion benötigte Temperatur von mindestens 300 °C aufrechterhalten werden kann. Ohne den Sauerstoff könnte die Methanisierung nicht autotherm betrieben werden. Zudem ist die Reaktion selbstregulierend, die Reaktionstemperatur läuft auf einen oberen Grenzwert von etwa 600 °C hinaus, wodurch Umsätze von 60% nicht unterschritten werden. Bei niedrigeren Temperaturen von ca. 400 °C konnten auch Ergebnisse von über 90% CO2 Umsatz im Rauchgas erreicht werden. Diese Ergebnisse konnten sowohl unter Laborbedingungen, d.h. mit aus technischen Gasen synthetisch hergestelltem Rauchgas, gemessen werden, als auch mit realem Rauchgas direkt am Kraftwerk vor Ort reproduziert werden. Das bei der Rauchgasmethanisierung entstehende Produktgas weist eine Energiedichte von ca. 5 MJ/Nm³ auf, womit es zu den Schwachgasen gezählt wird. Hier konnte der Nachweis erbracht werden, dass eine Nutzung des Produktgases in einem Rückverstromungskonzept mittels eines dezentralen Blockheizkraftwerkes, welches mit einem herkömmlichen Wankelmotor betrieben wird, möglich ist. Das "Proof of Principle" für einen geschlossenen CO2 Kreislauf unter realen Bedingungen mittels der Sabatier Reaktion wurde somit erbracht und lädt dazu ein, diesen Weg weiter zu verfolgen. N2 - It is shown, that the direct methanation of the carbon content of flue gas is possible. This was done on the basis of the Sabatier reaction and under real circumstances in a pilot plant scale. At the reactant gases hourly space velocity of approximately 1500 h-1 an output of just under 235 kg/d CO2 was reached, which corresponds to a flow-rate of 45 Nm³/h at a reactor volume of 30 dm³. Without further reprocessing of the flue gas, the carbon dioxide was directly reduced to methane via catalysis, which resulted in a conversion rate of at least 60%. A nickel based catalyst was used. Furthermore, it appeared that the flue gases oxygen content is a necessary precondition for the methanations autothermic mode of operation. Thereby the present interval of 4 - 6 vol% oxygen content of flue gas from conventional lignite power plants turned out to lie exactly in the necessary range to provide an even thermal balance. Since the additionally released heat from the hydrogen-oxygen reaction just compensates for the cooling effect of the present nitrogen, the Sabatier reaction's required temperature of at least 300 °C can be maintained. Without that oxygen the methanation could not be run autothermally. Additionally, the reaction is self-regulating. The reaction temperature results in a maximum limit value of approximately 600 °C, whereby conversion rates do not fall below 60%. At lower temperatures of about 400 °C, results of over 90% CO2 conversion from flue gas could be reached. These results could be measured under laboratory conditions, i.e. with synthetically produced flue gases mixed from industrial gases, and were reproduced with real flue gas directly from the power plant. The resulting gas from the flue gas methanation exhibits an energy density of approximately 5 MJ/Nm³, which ranks it among the lean gases. Here it could be proven that a reconversion of the produced gas into electricity is possible using a local block-type thermal power station, run with a conventional Wankel rotary engine. Thus the 'Proof of Principle' was provided for a closed CO2 circle under real conditions by means of the Sabatier reaction, which is an invitation to further pursue this path. KW - Sabatier KW - Methanisierung KW - Energiespeicher KW - Rauchgas KW - Kohlendioxid KW - Blockheizkraftwerk KW - Wasserstoff KW - BHKW KW - CCU KW - CHP KW - Energy storage KW - Carbon dioxid KW - Methanation KW - Flue gas KW - Sabatier KW - Hydrogen KW - CCU KW - Power-to-Gas KW - Combines heat and power plant KW - Rauchgasreinigung KW - Kohlendioxidemission KW - Methanisierung KW - Blockheizkraftwerk Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41467 ER - TY - THES A1 - Rachow, Fabian T1 - Prozessoptimierung für die Methanisierung von CO₂ – vom Labor zum Technikum T1 - Process optimisation for the Methanation of CO₂ – from a laboratory to an industrial scale N2 - In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine direkte Methanisierung von CO₂, die über die Sabatier-Gleichung, CO₂ + 4H₂ ↔ CH₄ + 2H₂O, beschrieben wird, im Labor- und im Technikums-Maßstab unter Variation verschiedenster Bedingungen realisierbar ist. Die Sabatier-Reaktion findet beschleunigt unter dem Einsatz von Katalysatoren statt. Unterschiedliche kommerzielle Katalysatoren auf Nickel und Ruthenium-Basis konnten auf ihrer Eignung für die Methanisierung untersucht werden und mit im Labor präparierte Katalysatoren verglichen werden. Relevante Größen zur Beschreibung der Aktivität der Katalysatoren ist der Umsatz an CO₂, die Ausbeute an CH₄ und die Selektivität bezüglich der Sabatier-Reaktion. Im Labor wurden Umsätze und Ausbeuten von über 90% und Selektivitäten von nahezu 100% gemessen. Durch eine Änderung der Temperatur, der Eingangsmenge an Gasen, der Katalysatormenge und des Druckes können die optimalen Prozessbedingungen für die Reaktion spezifiziert werden. Eine weitere Betrachtung galt der Messung mit synthetischen und realen Abgasen (Oxyfuel, CCS) und darauf bezogen, der Einfluss einer Verdünnung des CO₂ durch Stickstoff und Sauerstoff und der Rolle von bekannten Katalysatorgiften wie Schwefel- oder Stickoxiden. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der Stärke der Verunreinigung an Schwefel, der Reaktortemperatur und der Abnahme der katalytischen Aktivität ermittelt werden. Die Produktion von Kohlenmonoxid gibt zusätzlich Aufschluss über stattfinden Teil-und Nebenreaktionen. Ergebnisse in der Laboranlage konnten zum Teil für den Aufbau einer Technikumsanlage, welche eine Vergrößerung zum Labor um den Faktor 5000 darstellt, genutzt werden. Eine Zahl von Experimenten wurde im Technikum wiederholt. Die Technikumsanlage ist dabei in der Lage ca. 250 kg CO₂ pro Tag aus CO₂-haltigen Abgasen in Methan umzuwandeln. Ein erweiterter Praxisbezug stellte die Einbindung des Technikums in einem Kraftwerk dar und die Messung mit realem Rauchgas. Ohne zusätzliche Reinigungsschritte des Abgases konnten auch hier Umsätze von 90% erreicht werden. Eine komplexe Temperaturentwicklung und Erhöhung auf 600°C im Reaktor wurde aufgezeichnet und führt dabei zur Abnahme des Umsatzes auf ca. 60%. Bei diesen Temperaturen stellt sich ein Gleichgewicht zwischen, durch die exotherme Reaktion, erzeugter und abgeführter Wärme ein. Als Reaktionsprodukt wird ein Schwachgas erhalten, welches für die Rückverstromung eingesetzt werden kann. In der Methanisierung von CO₂ besteht die Möglichkeit das CO₂ in einen Kreislauf (Power-to-Gas) zu binden und so die Emission von Treibhausgasen zu mindern. Das erzeugte Methan fungiert als chemischer Energiespeicher und trägt zur Stabilisierung des Stromnetzes bei. N2 - It could be shown, that the direct methanation of CO₂, as described by the Sabatier-reaction, CO₂ + 4H₂ ↔ CH₄ + 2H₂O, can be done in laboratory and in an industrial scale under a variation of different process parameters. The Sabatier reaction is accelerated by catalysts. Different commercially available nickel and ruthenium-based catalysts were reviewed for their use in methanation and compared with self-prepared catalysts. Relevant parameters for the activity of a catalyst are the conversion of CO₂, the yield of CH₄ and the selectivity regarding the Sabatier-reaction. A conversion and yield of above 90% and a selectivity of nearly 100% were measured in the laboratory-set-up. Optimal parameters for the process were studied by variation of temperature, quantity of the reactants, amount of catalyst and pressure inside the reactor. An additional approach was the reaction with synthetic and real flue gases (Oxyfuel, CCS) and in this regard, a dilution of the CO₂ with nitrogen and oxygen and the role of known contaminations like sulfur and nitrogen oxides that can poison the catalyst. A relation between the amount of sulfur contamination, the temperature and the decrease in activity could be determined. It was possible to discern single reaction mechanism due to the formation of carbon monoxide during the reaction. Results in the laboratory have been used for the construction of a pilot-plant that represents an upscale of 5000 in gas quantity. A number of experiments were repeated in the pilot-plant. Here, it was possible to convert nearly 250kg/day CO₂ from flue gases to methane. The pilot plant was integrated into a power plant and therefore measurements with real flue gas could be conducted. Without additional cleaning of the flue gas, a conversion rate of up to 90% was achieved. A complex temperature distribution and an increase in the temperature of the reactor up to 600°C lead to a decrease in conversion to 60%. Equilibrium between the produced and removed heat is reached at those temperatures. The resulting gas has a low energy density and is classified as a lean gas that could be used for a reconversion to electric power. The methanation of CO₂ represents a possibility to store the CO₂ into a loop of conversion and reconversion of energy (Power-to-Gas) and therefore it is possible to reduce the emission of greenhouse gases. The produced methane is a chemical energy storage and contributes to the stabilization of the electric grid. KW - Katalyse KW - Methanisierung KW - Energiespeicher KW - Erneuerbare Energien KW - CO2-Nutzung KW - Catalysis KW - Methanation KW - Energy storage KW - Renewable energy KW - Carbon capture and storage (CCS) KW - Methanisierung KW - Katalysator KW - Carbon dioxide capture and utilization KW - Energiespeicher KW - Power-to-Gas Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42625 ER - TY - THES A1 - Rodríguez Henríquez, José Juan T1 - Fundamental study on surrogates for commercially available fuels under engine-like conditions T1 - Grundlegende Studie über Surrogate für kommerziell verfügbare Kraftstoffe unter motorähnlichen Bedingungen N2 - The increasing global energy demand, driven by technological advancements and population growth, has led to a significant rise in crude oil consumption. This trend is expected to continue until 2040 due to the lack of viable alternatives for sectors such as road freight, aviation, and petrochemicals. The combustion of fossil fuels, however, results in the emission of toxic and carcinogenic pollutants, including particulate matter (PM) and nitrogen oxides (NOx). This thesis aims to enhance the understanding of the formation and decomposition pathways of these pollutants under engine-like conditions using surrogate fuels. The research was conducted at the Brandenburg University of Technology Cottbus-Senftenberg, funded by the EU FP7 Marie Skłodowska Curie action, Initial Training Network (ITN) project ECCO-MATE. The project involved collaboration with 11 key partners from academia and industry across Europe and Japan. The primary objective was to develop and implement novel combustion technologies for marine and automotive engines to improve efficiency and meet stringent emission standards. Experimental studies were carried out using various analytical techniques, including gas chromatography, gas analysis, and luminescence techniques. These methods were optimized for engine-like conditions to investigate the formation of PM and NOx. The research utilized a range of experimental facilities, such as shock tubes and rapid compression machines, to measure ignition delay times and flame speciation. The study also involved the characterization of commercial fuels and the selection of surrogate fuels to represent their properties. The findings indicate that the addition of diluents, such as nitrogen and carbon dioxide, can significantly reduce the formation of NOx and PM. The use of oxygenated fuels, like dimethyl ether (DME), was found to enhance combustion efficiency and reduce pollutant emissions. The research also highlighted the importance of understanding the chemical kinetics of fuel decomposition and the role of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in soot formation. Overall, this thesis provides valuable insights into the combustion behavior of surrogate fuels under engine-like conditions. The results contribute to the development of cleaner and more efficient combustion technologies for the automotive and marine sectors, aligning with global efforts to reduce the environmental impact of fossil fuel consumption. N2 - Die steigende weltweite Energienachfrage, die durch technologische Fortschritte und Bevölkerungswachstum angetrieben wird, hat zu einem erheblichen Anstieg des Rohölverbrauchs geführt. Dieser Trend wird sich voraussichtlich bis 2040 fortsetzen, da es in Sektoren wie dem Straßengüterverkehr, der Luftfahrt und der Petrochemie keine praktikablen Alternativen gibt. Die Verbrennung fossiler Brennstoffe führt jedoch zur Emission giftiger und krebserregender Schadstoffe, darunter Feinstaub und Stickoxide (NOx). Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis der Bildungs- und Abbaupfade dieser Schadstoffe unter motorähnlichen Bedingungen mit Hilfe von Ersatzbrennstoffen zu verbessern. Die Forschung wurde an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg durchgeführt und durch das EU FP7 Marie Skłodowska Curie action, Initial Training Network (ITN) Projekt ECCO-MATE finanziert. Das Projekt umfasste die Zusammenarbeit mit 11 wichtigen Partnern aus dem akademischen Bereich und der Industrie in ganz Europa und Japan. Das Hauptziel war die Entwicklung und Umsetzung neuartiger Verbrennungstechnologien für Schiffs- und Automotoren, um die Effizienz zu verbessern und strenge Emissionsstandards zu erfüllen. Experimentelle Studien wurden mit verschiedenen Analysetechniken durchgeführt, darunter Gaschromatographie, Gasanalyse und Lumineszenztechniken. Diese Methoden wurden für motorähnliche Bedingungen optimiert, um die Bildung von PM und NOx zu untersuchen. Im Rahmen der Forschung wurden verschiedene Versuchsanlagen wie Schockrohre und Schnellverdichter eingesetzt, um die Zündverzögerungszeiten und die Flammenspeziation zu messen. Die Studie umfasste auch die Charakterisierung handelsüblicher Brennstoffe und die Auswahl von Ersatzbrennstoffen, um deren Eigenschaften zu repräsentieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Verdünnungsmitteln wie Stickstoff und Kohlendioxid die Bildung von NOx und PM deutlich reduzieren kann. Die Verwendung von sauerstoffhaltigen Brennstoffen wie Dimethylether (DME) verbessert die Verbrennungseffizienz und verringert die Schadstoffemissionen. Die Forschungsarbeiten haben auch gezeigt, wie wichtig es ist, die chemische Kinetik der Brennstoffzersetzung und die Rolle der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe bei der Rußbildung zu verstehen. Insgesamt liefert diese Arbeit wertvolle Erkenntnisse über das Verbrennungsverhalten von Ersatzbrennstoffen unter motorähnlichen Bedingungen. Die Ergebnisse tragen zur Entwicklung sauberer und effizienter Verbrennungstechnologien für den Automobil- und Schifffahrtssektor bei und unterstützen damit die weltweiten Bemühungen, die Umweltauswirkungen des Verbrauchs fossiler Brennstoffe zu verringern. KW - Combustion KW - Thermodynamics KW - Fuels KW - PAH KW - Verbrennung KW - Thermodynamik KW - Brennstoffe KW - Verbrennung KW - Ersatzbrennstoffe KW - Fossiler Brennstoff Y1 - 2025 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-71142 ER -