Uber die Stabilisierung von turbulenten Diffusionsflammen durch Staukorper *

E. Minx und H. Kremer * *

Es wird uber Untersuchungen zur Xtaukorperstabilisierung von turbulenten Diffu- sionsflammen an einem Brenner mit zentraler Brenngas- und ringformiger Luftzu- fuhr berichtet. Zunachst wird anhand vorliegender Forschungsergebnisse ein Bild der Stromungs- und Mischungsvorgange hinter dem Staukorper abgelejtet. An- schliel3end werden auszugsweise die Ergebnisse von Messungen zur Ermittlung der Flammenloschgrenzen mitgeteilt. SchlieRlich wird aufgrund durchgefuhrter Konzen- trations- und Temperaturmessungen ein Stabilitatsmodell abgeleitet. Danach hangt die Stabilitat der Flammen von der Lage einer stochiometrischen Flammenfront innerhalb der Xtromungsfelder hinter den Staukorpern ab. AuSerdem ist fur die Stabilitat der Flammen der in Flammenfronten von Diffusionsflammen erreichbare Brenngasumsatz entscheidend.

Durch Staukorper werden in der Flammenwurzel von strahlformigen Flammen zur Zundstabilisierung Gebiete mit innerer Ruckstromung erzeugt. Dort werden heil3e Abgase aus Zonen fortgeschrittenen Reaktionsgrades zu- riickgefiihrt, die eine Aufheizung der anstromenden Frischgase bewirken. Auf turbulente Diffusionsflammen wird die Staukorperstabilisierung hauptsachlich bei den sog. Gas-Geblasebrennern angewendet. Diese Brenner dienen in der Regel zur Beheizung der Feuerraume von Zentralheizungsanlagen, d. h. von Brennkammern mit gekiihlten Wanden. Fur Zentralheizungsanlagen sind nur Brenner geeignet, die keine storenden Gerausche verursachen, Auch aus diesem Grunde bietet sich die Stabilisierung der Flanimeii durch Staukorper an, da durch deren Verwendung die Zundzone eindeutig lokali- siert wird und Flammenpulsationen weitgehend unter- driickt werden konnen. Bei richtiger Auslegung ist ein be- sonders gerauscharmer Brennerbetrieb moglich. Bisher liegen keine systematischen Untersuchungen uber die Stabilitat von turbulenten Diffusionsflammen hinter Stauvorrichtungen vor. Aus diesem Grunde wurde es als sinnvoll angesehen, zunachst grundsatzliche Untersu- chungen an einfachen Parallelstrombrennern mit Stau- korpern durchzufuhren. Das Ziel der Untersuchungen be- stand darin, quantitative Zusammenhange zwischen den Grenzen der Flammenausbreitung und charakteristischen Brennerkopfabmessungen zu ermitteln und einen Ein- blick in den Vorgang der Stabilisierung von Diffusions- flammen hinter Stauvorrichtungen zu gewinnen.

Versuchsaufbau und Versuchsdurchfiihrung

Die Untersuchungen wurden mit dem in Abb. 1 darge- stellten Versuchsbrenner durchgefiihrt. A d e n - und Innen- rohr sowie der Staukorper waren austauschbar. Die Stau- korperdicke blieb konstant. Die Flammenloschgrenzen wurden durch Steigern der Luftzufuhr bei konstantem BrenngasdurchfluR oder umgekehrt bei gleichbleibender Luftmenge durch Erhohen des Brenngasdurchsatzes er- mittelt. Die Untersuchung der Mischungsvorgange hinter den Staukorpern wurde rnit kontinuierlich messenden physikalischen Analysengeriiten ausgefuhrt. Der Verlauf der ortlichen Stromungsgeschwindigkeiten in Gebieten

mit Vorwartsstromung wurde uber die Messung des dyna- mischen Druckes mit einem Hakenstaurohr und einem elektrischen Feindruckmanometer ermittelt . Die Begren- zungen der Riickstromgebiete ergaben sich aus den ort- lichen Geschwindigkeitsverteilungen. Versuchsparameter waren bei den Mischungsuntersuchungen im wesentlichen die Brenngas- und Luftdurchsatze, aber auch die Ab- messungen der Brennerkopfe. Die Temperaturverteilung in den Riickstromgebieten wurde mit einem Thermoele- ment gemessen, das mit Hilfe eines Verfahrens, durch das die Warmeabstrahlung der Lotperle kompensiert wurde, geeicht werden konnte.

Abb. 1. Aufbau des Versuchsbrenners.

a Beruhigungssiebe, MaDe in mm.

Phanomenologische Betrachtungen des Stabilisierungsvorganges

Wahrend sich in Diffusionsflammen Reaktion und Mi- schung uberlagern, ist fur die Ausbildung von Vormisch- flammen das ortliche Gleichgewicht zwischen Flammen- geschwindigkeit und Normalkomponenten der Stro- mungsgeschwindigkeit maSgebend. Im letzteren Fall konnen die experimentell bestimmten Stabilitatsgrenzen

* Vortrag auf der Tagung ,,Verbrennung und Feuerungen" der VDI-Faohgruppe Energieteohnik und der Deutschen Vereini- gung fur Verbrennungsforschung am 7. und 8. Oktober 1971 in Stuttgart.

* * Prof. Dr.-Ing. H . Kremer, UniversitSlt Kaiserslautern; Dr.-Ing. E. Minx, Badisohe Anilin- & Soda-Fabrik AG, Ludwigshafenl Rh.

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zu charakteristischen Abmessungen und zu Stoffwerten des Brennstoff/Oxidans-Gemisches (z. B. Temperaturleit- fahigkeit laminare Flammengeschwindigkeit) in Beziehung gesetzt wcrden [l]. Auf Diffusionsflammen sind derartige Kriterien nicht ohne weiteres anwendbar. Die Verbren- nung erfolgt dort in einer Flammenfront mit annahernd stochiometrischer Gaszusammensetzung, der Brenngas und Luft aus verschiedenen Richtungen zugefuhrt werden [2]. Nach Aussagen von Beer [3] aufgrund visueller Beo- bachtungen an olflammen und nach Untersuchungen von van Quickenborne und van Tiggelen [4] an stromabwiirts vom Brennermund stabilisierten Diffusionsflammen hangt die Stabilitat dieser Flammen von der Lage der stochio- metrischen Flammenfront in der Stabilisierungszone hin- ter dem Brennermund ab.

FTfi Abb. 2. Darstellung der Stromungs- und Mischungsvorggnge hinter einem Staukorper bei zentraler Brenngas- und ringformiger Luftzufuhr.

I n der vorliegenden Arbeit wurde der Versuch unternom- men, die vorhandenen Erkenntnisse durch Untersuchun- gen an staukorperstabilisierten Diffusionsflammen zu ver- tiefen. In Abb. 2 wird eine Vorstellung iiber die Stro- mungs- und Mischungsvorgange hinter einem Staukorper mit zentraler Brenngas- und ringformiger Luftzufuhr ent- wickelt, indem die fiir vorgemischte Systeme gefundenen Stromungsbilder z. B. [5] iibertragen und durch eigene Oberlegungen ergiinzt wurden. Es entsteht eine Ringzone mit innerer Ruckstromung, an deren Begrenzung die ort- liche Stromungsgeschwindigkeit im zeitlichen Mittel Null ist. Die Stromlinien lassen sich im Zeitmittel als quasista- tioniire Ringwirbel darstellen. Das Wirbelzentrum liegt auf der schalenformigen Begrenzungsfliiche des Riick- stromgebietes. Letzteres existiert nicht als isoliertes Ge- bilde, sondern steht in intensivem Wiirme- und Stoffaus- tausch mit der Vorwartsstromung. Die Vermischung von Brenngas und Luft wird in erster Linie von den starken Luftwirbeln gesteuert. Diese reiBen einen Teil des zuge- fiihrten Brenngases mit und transportieren es oberhalb des Staukorpers oder am Ende des Ruckstromgebietes in die Vorwiirtsstromung. Wie weiter unten berichtet wird, reiBt die sich stromab- wiirts vom Ruckstromgebiet ausbildende Flamme von der

in diesem Gebiet gebildeten Halteflamme ab, wenn die Rrenngaszufuhr bei konstantem LuftdurchfluB iiber einen bestimmten Wert hinaus gesteigert wird. Dieser Vorgang sol1 durch die schematische Darstellung in Abb. 3 ver- deutlicht werden. Links wird eine Flammenform gezeigt, die sich bei einem relativ geringen Impuls des zentralen Brenngasstrahles ergibt. Nach Steigern der Brenngaszu- fuhr ist zuniichst oberhalb des Ruckstromgebietes eine Einschniirung der Flamme erkennbar. Die Verbindung zwischen Haupt- und Halteflamme besteht nur noch in einer diinnen Ringzone. Bei weiterer Steigerung des Brenngasdurchflusses wird diese Verbindung schlieBlich ganz unterbrochen.

/

.E3=

Abb. 3. Vorgang des AbreiBens der Hauptflamme von der im Hiickstromgebiet gebildeten Halteflamme.

Nach den geschilderten visuellen Beobachtungen ver- lagert sich die Flammenfront bei Steigerung des Brenn- gasdurchsatzes nach innen. Es ist denkbar, daR die Haupt- flamme von der im Ruckstromgebiet gebildeten Halte- flamme abreiBt, weil die Zufuhr von Brenngas und Luft zur Flammenfront einen bestimmten kritischen Wert iiberschritten hat. Spalding [6] und Zeldovic [7] haben niimlich unabhiingig voneinander festgestellt, daB der maximale Brenngasumsatz in der stochiometrischen Flammenfront einer Diffusionsflamme 'hG,max dem Pro- dukt aus der stochiometrischen Massenkonzentration des Brenngases im BrenngasIOxidans-Gemisch XG,stOch sowie der Dichte @GL und der maximalen laminaren Flammen- geschwindigkeit Amax des BrenngasIOxidans-Gemisches entspricht :

hG,max = XG,stochQGL&ax

Potter und Butler [8] bestiitigten diesen Zusammenhang durch Messungen an Diffusionsflammen aus koaxial ge- geneinander gerichteten Brenngas- und Luftstrahlen.

Versuchsergebnisse

Xtabilitatsmessungen Die Ergebnisse der Stabilitiitsmessungen sind in Dia- grammen wiedergegeben worden. Die an den Stabilitats- grenzen erreichten, auf die Staukorperebene bezogenen mittleren Stromungsgeschwindigkeiten der Luft (Losch- geschwindigkeiten genannt) wurden iiber dem aus den Brenngas- und Luftdurchsatzen errechneten Kehrwert der mittleren Luftzahl (Bquivalenzverhiiltnis 5 genannt)

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aufgetragen. Die Versuchsergebnisse sind so zusammenge- stellt, daB sich Xcharen von Loschkurven mit jeweils einer charakteristischen Abmessung des Brennerkopfes oder der Brenngasart als Parameter ergaben. Abb. 4 zeigt als Beispiel eine Xchar von Loschkurven mit dem Staukorper- durchmesser als veranderlichem Parameter. Danach wer- den mit groBeren Staukorpern hohere Loschgeschwindig- keiten erreicht . Gleichzeitig verschieben sich die Maxima der Loschkurven zu hoheren Bquivalenzverhaltnissen hin.

B3-2324 4 Abb. 4. Flammenloschgrenzen fur Haupt- und Restflamme bei Einsatz verschicdener Staukorper.

- Verloschen der Halteflamme, - - - Verloschen der Haupt- flamme.

Die links von den Maxima gelegenen Kurvenzuge ergaben sich durch Steigern der Luftzufuhr bei verschiedenen Brenngasdurchsatzen, die rechten Kurvenaste durch Stejgern der Brenngasmengen bei konstanten Werten fur den LuftdurchfluB. Im letzteren Fall waren zwei Stabili- tatskriterien zu beobachten : wird namlich bei einem ein- gestellten Luftdurchsatz die Austrittsgeschwindigkeit des zentralen Brenngasstrahles erhoht, so reiBt bei einer be- stimmten Geschwindigkeit des Brenngasstromes die Hauptflamme ab, und es bleibt lediglich eine kleine, im Riickstromgebiet gebildete Restflamme am Staukorper haften. Wird die zugefuhrte Brenngasmenge weiter ge- steigert, so verloscht schlieBlich auch diese Restflamme. Bei sehr kleinen Brenngasdurchsatzen entstehen hinter den Staukorpern kleine, blaue Flammen, die eine sehr hohe Flammenstabilitat aufweisen [9]. Dieser Bereich der Brennereinstellungen, bei dem das Ruckstromgebiet nicht von dem zentralen Brenngasstrahl durchstoBen, son- dern das gesamte Brenngas von den Wirbeln innerhalb des Riickstromgebietes erfaBt wird, wurde bei den vor- liegenden Untersuchungen nicht berucksichtigt. Die voll- standigen Ergebnisse der Stabilitatsmessungen sind in [lo] und [11] zusammengestellt.

In der Praxis werden Gasbrenner mit stochiometrischer Verbrennungseinstellung bzw. geringem LuftiiberschuIj betrieben. Mit dem verwendeten Versuchsbrenner konnte eine derartige Brennereinstellung bei stabiler und vollaus- gebildeter Flamme nicht verwirklicht werden. Die hier wiedergegebenen Untersuchungen wurden bewuBt an einem sehr einfach aufgebauten Brenner durchgefuhrt, da grundsatzliche Zusammenhange geklart werden sollten.

Die gewonnenen Erkenntnisse lassen wertvolle Riick- schliisse fur den praktischen Brennerbau zu. Auf diesen Problemkreis wird in einer spateren Veroffentlichung ein- gegangen.

iW ischungsuntersuchungen in isothermen Stromungen

In turbulenten Diffusionsflammen ist der MischprozeB zwischen Brennstoff und Oxidationsmittel fur die Ver- brennung geschwindigkeitsbestimmend [2]. Die Unter- suchung des Stabilisierungsvorganges muB sich somit im vorliegenden Fall vor allem auf die Mischungsvorgange von Brenngas und Luft innerhalb der Xtabilisierungszone beziehen. Es erschien deshalb sinnvoll, zunachst Messun- gen in isothermen Stromungsfeldern durchzufuhren. Diese Messungen sollten im wesentlichen AufschluB uber die Veranderung der ortlichen Gasgemischzusammensetzung in dem Stromungsfeld hinter den Xtaukorpern geben, wenn verschiedene Brenngas- und Luftdurchsatze einge- stellt werden. Die Brenngas- und Luftdurchsatze, fur welche die Mischungsfelder ausgemessen wurden, wurden nach den Ergebnissen der Xtabilitatsmessungen ausge- wahlt. Die Auswahl wurde so getroffen, daB einmal &e Abhangigkeit der ortlichen Gaszusammensetzung bei systematischer Veranderung der Brenngas- und Luft- durchfliisse erfal3t und zum anderen Brennereinstellungen, die aufgrund der Stabilitatsmessungen charakteristisch sind, beriicksichtigt wurden.

Der wesentliche Teil der Untersuchungen betraf die Aus- messung von Mischungsfeldern fur einen Brennerkopf mit konstanten Abmessungen bei verschiedenen Brenngas- und Luftdurchsatzen. Verwendet wurde ein Brennerkopf mit kleinen Abmessungen, da in diesem Fall durch eine relative geringe Zahl von Mischungsfeldern der Verlauf der Loschkurven reprasentativ erfaBt werden konnte. Die

Abb. 5 . Loschkurve und Brennereinstellun- gen fur die untersuchten Stromungsfelder.

gewahlten Brennereinstellungen sind in das entsprechende Xtabilitatsdiagramm eingezeichnet (Abb. 5 ) . Die Brenner- einstellungen 2, 3 und 4 sollen die Veranderung dcr Mischungsfelder bei konstanter Brenngas- und unter- schiedlicher Luftzufuhr aufzeigen. AuBerdem liegt 2 im Stabilitatsbereich, 3 entspricht der Flammenloschgrenze und 4 liegt auBerhalb der Xtabilitatsgrenzen. Die Punkte 2, 7 und 8 sollen erkennen lassen, in welcher Weise sich die ortliche Gaszusammensetzung andert, wenn bei kon- stantem Luftstrom fur den BrenngasdurchfluB verschie- dene Werte eingestellt werden. Gleichzeitig beriicksichtigt 7 das AbreiBen der Hauptflamme vom Riickstromgebiet

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und 8 das Verloschen der Restflamme. Die Brenner- einstellungen 1, 5 und 6 entsprechen weiteren charakteri- stischen Flammenloschpunkten.

Die aufgenommenen Mischungsfelder bestehen jeweils aus den Linien gleicher Gaszusammensetzung @ = const., der Begrenzungslinie des Riickstromgebietes und dem ort- lichen Verlauf der Geschwindigkeit der Vorwartsstromung an der luftseitigen Begrenzung des Riickst8romgebietes in verschiedenen Abstanden vom Brennerkopf.

I / I I I I 1

U

C

ma Abb. 6. Mischungsfelder fur die Brennereinstellungen 2 (Abb. 6a), 3 (Abb. 6b) und 4 (Abb. 6,) gemiiIj Abb. 5. Gasart CH4, Brennerabmessungen D = 28,0 mm, d = 13,5 mm, dl = dz = 4,5 mm; iiG = 10,s m/s; - - - a = f(y)

Abb. 6a: Mischungsfeld 2, u L 1 = 4,s m/s; Abb. 6b: Mischungs- feld 3, U L I = 9,5 m/s; Abb. 6 c : Mischungsfeld 3, U L ~ = 16,7 m/s.

Als Beispiel werden die Mischungsfelder 2, 3 und 4 in Abb. 6 gezeigt. Daraus geht hervor, daB eine Xteigerung des Luftdurchflusses bei konstenter Brenngaszufuhr eine Verschiebung der Linien gleicber Gaszusammensetzung nach auBen bewirkt, da durch die verstarkten Wirbelbe- wegungen der Luft mehr Brenngas in radialer Richtung mitgerissen wird. Umgekehrt ergibt sich durch eine Stei- gerung der Austrittsgeschwindigkeit des Brenngases bei konstantem LuftdurchfluB eine Verschiebung der Linien gleicher Gaszusammensetzung in Richtung der Brenner- achse, da der erhohte Brenngasimpuls der Wirbelbewe- gung der Luft entgegenwirkt. Mischungsfeld 4 zeigt auBer- dem, daB sich das Riickstromgebiet stromabwarts auf dcr Brennerachse schlieBt, wenn das Verhaltnis von Luft- zu Brenngasimpuls einen Grenzwert uberschreitet [lo]. Bei den ermittelten Flammenloschgrenzen wurde das Riick- stromgebiet in allen untersuchten Fallen von dem zen- tralen Brenngasstrahl durchstoDen.

Die geschilderten Mischungsuntersuchungen wurden durch Messungen an Brennerkopfen mit unterschiedlichen Ab- messungen fur die im Maximum der Loschkurven erreich- ten Volumenstrome an Brenngas und Luft erganzt. Das wichtigste Ergebnis dieser Messungen war, daB die Linie stochiometrischer Gemischzusammensetzung in allen Fallen mit der luftseitigen Begrenzung des Riickstrom- gebietes zusammenfallt.

Berechnung der durch die Begrenzung der Ruckstromgebiete strornenden Brenngasmengen

Aus den gemessenen Konzentrations- und Geschwindig- keitsverteilungen konnen die Brenngasmengen berechnet werden, die ortlich durch die Begrenzungen der Riick- stromgebiete in die vorwarts gerichtete Stromung gelan- gen. In Abb. 7 ist der errechnete Verlauf dieses Brenngas-

8 rnm

6

x 4

2

0

83rs221

Abb. 7. Verteilung der durch die Begrenzung des Riickstromge- bietes stromenden Brenngasmenge.

Z C L ~ = 10,15 m/s; = 15,3 mjs.

durchflusses fur die Brennereinstellung, die dem Maximum der Loschkurve in Abb. 5 entspricht, wiedergegeben. Es zeigt sich, daB das Brenngas entweder unmittelbar hinter dem Staukorper oder am Ende des Riickstromgebietes in die umgebende Vorwartsstromung eindringt. An diesen Stellen mussen demnach auch zuerst die von Spalding [6] und Zeldovic [7] angegebenen kritischen Brenngasdurch- satze erreicht werden. Dies stimmt mit den visuellen Beobachtungeii uberein, denn entweder heben die Flam- men direkt vom Staukorper ab oder die Hauptflammen reiBen von den im Ruckstromgebiet gebildeten Halte- flammen ab. AuBerdem kann die gefundene Stromungs-

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verteilung als eine Bestatigung der in Abb. 2 dargestellten Stromungsvorgange angesehen werden, denn die ange- nommenen Wirbelbewegungen entsprechen dem ermittel- ten Verlauf der Brenngasforderung.

Deutung des Xtabilisierungsvorganges

Die in Abb. 6 gezeigten Mischungsfelder lassen erkennen, daB die Linie @ = 1 fur eine Brennereinstellung, die einer stabilen Flamme entspricht (Mischungsfeld Z), innerhalb

Lage der Flammenfront Ursache

des Flammenverloschens

Verschieben der Flammenfront in ein Gebiet rnit zu hohen ortlichen Stromungsgeschwindigkeiten

a L 1 << aL1,rnax

Verschieben der Flammenfront in ein Gebiet rnit zu hohen ortlichen S tromungsgeschwindigkeiten

6 ~ 1 < 6 ~ 1 , r n a x

Verschieben der Flammenfront nach innen oder auBen, Stabili- tiitsmeximum

~ L I = BL1,rnax

Verloschen der Restflamme durch Wiirmeverluste

CLI < aL1 ,max

Abreil3en der Hauptflamme durch nbersteigen des kritischen Brenn- gasdurchsatzes an einer Stelle der Flammenfront

Verloschen der Restflamme durch Warmeverluste

~ L I cc UL1,max

Abb. 8. Schematisierte Uarstellung der Ergebnisse der Mischungs- untersuchungen.

- Flammenfront, -~~ Begrenzung der Riickstromzone, 3 FlammenabreiBzone.

des Ruckstromgebietes liegt. An der Flammenloschgrenze hat sich die stochiometrische Linie uber die Begrenzung des Ruckstromgebietes hinaus verschoben. Nach Steige- rung der Luftzufuhr weit uber die Flammedoschgrenz e hinaus ist eine deutliche Verschiebung der Linie @ = 1 in das Gebiet mit vorwartsgerichteter Stromung zu er- kennen.

In Abb. 8 sind die Ergebnisse der Mischungsuntersuchun- gen in einer schematischen Obersicht zusammengestellt. Als Linie gleicher Gaszusammensetzung ist darin lediglich

die als Flammenfront angenommene stochiometrische Linie eingezeichnet. Aus diesen Ergebnissen kann eine Deutung des Stabilisierungsvorganges abgeleitet werden.

Im Maximum der Stabilitatskurve fallt die Flammenfront mit der luftseitigen Begrenzung des Ruckstromgebietes zusammen. Eine geringfiigige Verschiebung nach aul3en oder innen verursacht ein Verloschen der Flamme, d. h. sowohl fur den Brenngas- als auch fur den Luftdurchsatz sind Grenzwerte erreicht. Bei Stromungsgeschwindigkei- ten der Luft unterhalb der maximalen Loschgeschwindig- keit kann die Brenngas- und Luftzufuhr innerhalb be- stimmter Bereiche verandert werden. Entsprechend erge- ben sich fur die Flammenfront zwei Grenzlagen. Einmal kann sie auSerhalb des Ruckstromgebietes in ein Gebiet rnit zu hohen ortlichen Stromungsgeschwindigkeiten in Achsrichtung gelangen, zum anderen ist es moglich, daS sich die Flammenfront zu weit nach innen verschiebt. Der Bereich, in dem sich die Flammenfront verschieben kann, verengt sich mit zunehmender Stromungsgeschwindigkeit der Luft. Dies geht aus einem Vergleich der Mkhungs- felder 1 und 8 bzw. 3 und 6 in Abb. 9 hervor.

rnm

30

Abb. 9. 6rtliche Temperaturverteilung in der Flammenwurze D = 36 mm; d = 20 mm; d l = 43 mm; dz = 4,O mm; QG = 36,6 m/s; C L ~ = 15,6 m/s; CD = 0,4.

Bevor die innere Grenzlage der Flammenfront erreicht ist, reifit in den meisten Fallen am Ende des Ruckstromge- bietes die Hauptflamme ab, da der Brenngasdurchsatz dort anscheinend den in Flammenfronten von Diffusions- flammen erreichbaren Grenzwert ubersteigt. Diese An- nahme wird durch die aus den MeBergebnissen errechnete Verteilung des Brenngasstromes, der durch die Begren- zung des Ruckstromgebietes flieSt, bestatigt.

Die Restflamme scheint durch Warmeabgabe an die um- gebende kalte Stromung zu verloschen. Es ist jedoch auch denkbar, daB der Brenngasdurchsatz durch die Flammen- front unmittelbar oberhalb des Staukorpers den kritischen Wert iiberschreitet.

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Temperaturmessungen in Flammen

Da in Flammen die hochsten Temperaturen in Zonen mit groBter Reaktionsdichte auftreten, mu13 der Verlauf der ortlichen Temperatur in der Flammenfront ein Maximum aufweisen. Aus diesem Grunde wurden Temperaturmes- sungen in den Stromungsgebieten hinter den Staukorpern ausgefuhrt . Bei diesen Messungen muRten groBere Bren- nerkopfabmessungen als bei den vorangegangenen Mi- schungsuntersuchungen verwendet werden, da sonst un- zulassige Storungen durch das eingefiihrte Thermoele- ment hervorgerufen wurden.

Abb. 9 zeigt den Verlauf der Isothermen im Ruckstrom- gebiet in einer durch die Flammenachse verlaufenden Ebene fur die in die gultige Stabilitatskurve eingezeich- nete Brennereinstellung . Die Flammenfront entspricht der Verbindungslinie der Temperaturmaxima. Die Lage dieser Linie stimmt mit der nach den Ergebnissen der iosthermen Mischungsuntersuchungen erwarteten Posi- tion iiberein.

Das gleiche Resultat ergab sich durch die Aufnahme einer Reihe weiterer Temperaturfelder fur verschiedene Bren- nerkopfabmessungen und unterschiedliche Gasarten. Dem- nach lassen die Ergebnisse der Temperaturmessungen in Flammen darauf schlieBen, daB die aus Messungen in kalten Stromungen gewonnenen Erkenntnisse im vor- liegenden Fall auf eine Flamme ubertragen werden konnen.

AbschlieBende Betrachtungen

Fur Brennereinstellungen, die dem Maximum der Losch- kurven entsprechen, ergaben die Mischungsuntersuchun- gen, daB die Flammenfront immer mit der Begrenzung des Ruckstromgebietes zusammenfallt. Es ist deshalb zu erwarten, daB Ahnlichkeitsbetrachtungen mit Hilfe di- mensionsloser Kennzahlen ahnlich wie bei Vormisch- flammen auch auf staukorperstabilisierte Diffusions- flammen angewendet werden konnen, wenn die Betrach- tungen auf die Punkte maximaler Flammenstabilitat be- schrankt werden, da in diesem Fall bei unterschiedlichen Brennerkopfabmessungen oder verschiedenen Gasarten einheitliche Mischungsfelder vorliegen. Die Auswertung der Ergebnisse dieser Stabilitatsmessungen gaben eine Bestatigung fur diese Annahme. Es stellte sich heraus, daB eine Beziehung zwischen der auf die maximale Losch- geschwindigkeit bezogenen Peclet-Zahl und einer auf die maximale laminare Flammengeschwindigkeit des ver- wendeten Brenngases bezogenen modifizierten Peclet- Zahl bestand (s. Abb. 10). Die gleiche Korrelation konnte auch fur MeBergebnisse aus der Literatur vorgenommen werden [12, 131. Ebenso war diese Beziehung von Spal- ding [14] fur Flammen, die aus koaxial aufeinandertreffen- den Freistrahlen aus Brenngas und Luft gebildet wurden, theoretisch abgeleitet und von Rao [15] zur Darstellung von Versuchsergebnissen uber die Stabilitat von Diffu- sionsflammen, die von einem Luftstrom senkrecht ange- blasen werden, verwendet worden. Auch der Begriff der kritischen Zundzeit nach Zukoski und Marble [16] ist auf die Maxima der Loschkurven anwendbar, denn Messungen ergaben, daR die maximalen Loschgeschwindigkeiten den Langen der Ruckstromgebiete proportional sind [ 101.

3,75 ‘ Brennerobrnessung lmrnj I I

@2Lm ‘9 PeArnox

Abb. 10. Darstellung der maximalcn Loschgeschwindigkeiten rnit Hilfe der Peclet-Zahl.

Auch bei drallbehafteten Flammen entstehen in der Flammenwurzel Zonen mit innerer Ruckstromung. Somit ist es denkbar, daB die an staukorperstabilisierten Diffu- sionsflammen gewonnenen Erkenntnisse auch fur drallbe- haftete Diffusionsflammen gelten. Untersuchungen der Internationalen Flammenforschungsgemeinschaft Ijmui- den an drallbehafteten Erdgas-Diffusionsflammen [17] zeigten, daB sich die Flammenfront in der Scherzone zwischen innerer Ruckstromung und dem iiuBeren Luft- strom stabilisiert. Die fur die Stabilitat wichtige Ver- schiebung der Flammenfront durch Andern der zugefuhr- ten Brenngas- und Luftmengen erfolgt allerdings vor allem langs der oben erwiihnten Scherzone in Achsrich- tung, da der Ort der Flammenstabilisierung nicht wie bei der Staukorperstabilisierung durch Einbauten im Brenner- kopf vorgegeben ist. Somit stabilisieren sich die Flammen an den Stellen der Scherzone, an denen aufgrund der Mi- schungsvorgange stochiometrische Gas-Gemischzusam- mensetzung vorliegt. Die Flammen verloschen, wenn sich die Flammenfront so weit stromabwarts verlagert hat, daB die durch die rezirkulierenden Flammengase strom- aufwarts transportierte Warmemenge zur Stabilisierung der Flammen nicht mehr ausreicht.

Diese Arbeit wurde am Gaswarme-Institut e. V. Essen durchge- fuhrt und dankenswerterweise vom Lande Nordrhein-Westfalen (Landesamt fur Forschung) finanziell gefordert.

Eingegangen am 6. Oktober 1971 [B 32921

Literatur

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Ein mathematisches Modell des Kupolofen-Schmelzprozesses*

Wolfgang Fluhenbeck**

Die bisher bekanntgewordenen Untersuchungen geben nur begrenzt,e Auskunft iiber die physikalischen und chemischen Vorgange, die im Schacht von Kupolofen ab- laufen. Aus diesem Grund wurde ein mathematisches Modell erstellt, welches iiber Bilanzbetrachtungen hinaus die ortliche Verteilung von Aust,auschvorgangen und Reaktionen in Abhangigkeit von den ProzeBeingangsgroBen beschreibt. Die Arbeit bietet Einblick in den SchmelzprozeB und die Auswirkungen der Zusatzbefeuerung ; allgemein kann dieses Rechenmodell zur Voraussage des Schinelzergebnisses von Kupolofen verschiedener geometrischer Abmessungen und Betriebsbedingungen be- nutzt werden.

Da sich das Verhaltiiis der Energiekosten bei Verwendung von GieBereikoks gegcniiber Erdol und Erdgas sehr ver- andert hat, liegt es nahe, einen moglichst hohen Anted der zum Schmelzen des Eisens in einem Kupolofen benotigten Energie durch Erdol oder Erdgas bereitzustellen. In den vergangenen Jahren Jvurde eine Reihe von Untersuchun- gen angestellt,, die klaren sollten, wie sich der Schmelzpro- zeB verandert, wenn aus Brennkammern, die in die Ofen- ausmauerung eingelassen sind, heiI3es Abgas in die Brenn- stoff/Schmelzgut-Schuttung eintritt. Die dabei erzielten Versuchse.rgebnisse ergeben ein recht uneinheitliches Bild : Zuni Teil wird eine Verbesserung der schmelztechnischen ZielgroBen [l -31 und der Wirtschaftlichkeit des Schmelz- prozesses behaupt,et [4, 51, andere Autoren fuhren den esperiment,ellen Nachweis, daB ein Anstieg der Schmelz- leistung bei Zusatzbefeuerung durch eine Steigerung der Windmenge wirtschaft*licher erreicht werden kann [6]. SchlieBlich werden Vorteile der Zusatzbefeuerung generell bezweifelt [7, 81.

Diese Sit.uation kennzeichnet die begrenzte Aussagefahig- lieit der bisher entwickelteii Untersuchungsmethoden. Die physikalischen und chemischen Vorgange in der Kupolofen-Schuttung konnten aus Messungen der Ein- und AusgangsgroBen des Prozesses allein nur soweit ge- klart, werden, als der EinfluB cles Kokssatzes, der Koks- stiickgroBe, der Winclmenge und der Windtemperntm auf

* Auszug ails der von der Fa.liultiit Chemieingenieurmesen der Universitiit Karlsruhe angenoinmenen Disse,rtat,ion des Autors, vorgetragen auf der Tagnng ,,Verbrennung nnd Feuerungen" dcr VDI-Fachgruppe Energietechnik uncl der Deutscheii Ver- einigung fiir VelhrennuiigsforHchung am 7. uind 8. Ol;t,ober 1971 i n 8 h i t tgwt.

I)ipl.-Ing. W. Riiheiibeck, Inst,it,ut fur Gastechnik, Feuelungs- technik uml IVasserchemie an der Universitiit Karlsruhe (TH), Abteilung Feuerungstechnik.

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die schmelztechnischen ZielgroBen (Schmelzleistung und Eisentemperatur) sowie auf die Gichtgaszusammenset- zung vorausgesagt werden kann. Der Einblick in die ort- lichen Stoff- und Warmeaustauschvorgange bleibt global und reicht zur Beurteilung einiger Versuchsergebnisse nicht mehr aus. Dies zeigt sich aus der Unklarheit iiber die Bedeutung der Zusatzbefeuerung e.benso wie aus der Diskrepanz zwisclien der beim HeiBwindverfahren iiber das Warmeangebot errechneten und der tatsachlich er- reichten Verbesserung des Schmelzprozesses [S].

Der Grund fur diese Schwierigkeiten liegt vor allem darin, daB sich die Gleichgewichte der hete.rogenen Verbren- nungs- und Vergasungsreaktionen nicht einstellen, so daB kein einfacher Zusammenhang zwischen Iionzentrationen und Temperaturen besteht. Weiterhin macht es die grolje Anzahl der ProzeBparameter und ihre z. T. unkontrollier- baren zeitlichen Schwankungen schwer, Versuche unter- einaiider zu vergleichen. SchlieBlich lassen sich einige ProzeBgroBen aus ProzeBgrunden nicht genau erfassen.

Messungen von Konzentrationen und Temperaturen innerhalb der Schuttung [ lo - 121, die AufschluB iiber die ortlichen Warme- und Stoffaustauschvorgange geben konnten, sind aus meBtechnischen Grunden hauptsach- lich an mit Koks gefullten Ofen ausgefiihrt worden [lo, 111. Die Ergebnisse lassen sich nicht unmit,telbar auf den Betrieb mit Schmelzgut ubertragen.

Die bekannt gewordenen mathematischen Modelle des Kupolofen-Prozesses verzichten entweder vollig auf die Beschreibung des ortlichen Stoff- und Warmeaustausches im Ofenraum (Regressionsmodelle) [13, 141, oder sie ar- beiten mit so weitgehenden Idealisierungen, daB ihre Aussagefahigkeit begrenzt ist [15].

Um Aussagen uber die Vorgange in den einzelnen Reak- t,ionszonen des Ofens zu erhalten, die uber das bisher Er-

40 Chemie-Inq.-Teclm. 11. JuAry. 1972 1 N r . 1 + 2