817 research outputs found
Mineralumwandlung (Kapitel 5)
No full textDie derzeitigen Methoden zur Verschlackungsvorhersage bei kohlenstaubgefeuer¬ten Dampferzeugern sind nicht zuverläs-sig. Deswegen wird in dieser Arbeit ein neuer Weg zur genau-eren Vorhersage dieses Prozesses mit Hilfe von Computersi-mulationen vorgestellt.
Die Verschlackung im Brennraum ist ein komplexer Prozeß und der physikalisch-chemische Hintergrund wurde bisher noch nicht vollständig geklärt. Bis jetzt sind nur wenige Untersuchungen durchgeführt worden, die als Basis für eine Modellierung dienen könnten. Darum wurden am IPTC der TU Braunschweig 112 Untersuchungen mit fortschrittlicher Meß-ausstattung (REM/EDX, Mössbauerspektrometer, Infrarot-spektroskop, TGA/DTA u.a.) durchgeführt. In diesen Unter-suchungen wurden die kinetischen Eigenschaften von 20 Mineralmischungen unter Brennkammerbedingungen ge-messen. Als Teil dieser Arbeit wurden Multikorrelationen gefunden, die bei den untersuchten Mineralsystemen Umwandlungs- oder Reaktionsraten und mathematische Modelle für die Massenumsätze bestimmen. Die Zahl der bedeutsamen Reaktionen von Mineralien bzw. Mineral-mischungen, die die Verschlackung bestimmen, ist größer als die Zahl der untersuchten Stoffe. Darum wurden für zusätz-liche Stoffe mathematische Modelle aus gut dokumentierten Messungen in die Arbeit einbezogen. Insgesamt wurden für 58 Mineralienumwandlungen mathematische Modelle und der daraus resultierende Programmcode TRAMIK entwickelt.
Die Modellierung der Umwandlung von Mineralpartikeln erfor-dert die Verknüpfung des Programms TRAMIK zur Berech-nung der Kohlemineralumwandlung mit dem Brennkammer-berechnungsprogramm FLOREAN. Dabei ist die Berechnung der Verschlackungsprognose in drei Arbeitsabschnitte unterteilt:
Im ersten Schritt werden durch Brennraumsimulation die Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsfelder in der Gasphase ermittelt, im zweiten die Partikelbahnen mit den ent¬sprechenden Temperaturen, Geschwindigkeiten, Verweilzeiten, Pyrolyse, Abbrandver-halten und weiteren Parametern.
Im dritten Berechnungsabschnitt werden drei Postprozessoren mit unterschiedlichen Aufgaben verwendet. Der Postprozessor TRAMIK bestimmt entlang jeder Partikelbahn, Umwand¬ lungsart und -rate der Kohlemineralien. Für vorgegebene Parameter der Gasumgebung von Partikeln berechnet das Programm unter nichtstationären Bedingungen und bei chemi¬schem Ungleichgewicht die Umwandlung der Mineral-komponenten innerhalb reiner Asche¬partikel. Dabei kann das Programm auch zu jedem Zeitpunkt Daten über Aggregat-zustand und Zusammensetzung der Aschepartikel ausgeben. Die kinetischen Modelle werden, in Abhängigkeit von Gas-temperatur und Gaszusammensetzung, im Brennraum über verschiedene Pfade gesteuert, was schließlich zu Umwand-lungsketten führt. Der Zusammenhang zwischen der brenn-baren Substanz innerhalb der Kohlepartikel und den Minera-lien während der Verbrennung (interessant in der ersten Flugphase der Partikel) wird mit einem eigenen Kohle–Mineral–Modell beschrieben.
Ein zweiter Postprozessor ermittelt die Ablagerungsmassen- stromdichte (kg/m2•s) auf den Brennkammerwandflächen, auch für einzelne Mineralphasen. Der dritte graphische Postprozessor stellt die Ergebnisse aus allen Berechnungs-phasen in Form von 2D- und 3D-Bildern und Diagrammen dar.
Um die Realisierbarkeit der Verschlackungsvorhersage durch Kopplung von FLOREAN mit TRAMIK und den eingebauten Modellen zu testen, wurden zwei Beispiele simuliert: eine Versuchsbrennkammer mit einer Leistung von 1,82 MW und der Feuerraum eines Braunkohlen staubgefeuerten Dampferzeugers mit der elektrischen Leistung von 600 MW
Die Modellierung der Brand- und Schadstoffbildung: Maßnahmen zur Risikoreduzierung
No full textThis thesis describes a methodology of fire risk simulation and mitigation by developing and implementing a model for toxic chemical species formation from gas and plastic burning at enclosure fire conditions into a conventional Computational Fluid Dynamics (CFD) model and taking appropriate measures.
A complete fire hazard assessment requires knowledge of toxic chemical species production of CO,NOx,SOx,H2S,HCN,HCl etc. Most existing studies of toxicants assessment have solely relied on data obtained from small scale physical fire models or empirical data concerning CO and soot yield. There is no straight forward method to interpret such data in terms of toxic concentration in real scale fire. In reality, toxic species production varies with combustion conditions (i.e. equivalence ratio, temperature). Therefore, using constant toxic yield value from small scale experiments can lead to a significant error in toxic hazard assessment. Currently available CFD codes have either no implemented toxic species formation model or toxic species formation models (i.e. CO) with inaccurate predictability.
In this dissertation, detailed investigations of the effect of equivalence ratio and temperature on toxicants formation for different burning substances are conducted through constrained (temperature and equivalence ratio) equilibrium calculations.
A submodel has been developed to predict local toxicant concentration by solving species transport equation with artificial source terms as post processing. Constrained equilibrium concentrations are utilized for the calculation of the artificial source terms. The developed toxic model is coupled with the chosen CFD model-FDS. Simulations are performed with the developed model and results are compared with experimental data. Predictions of CO are in reasonable agreement with the data.
By implementing the presented toxic species formation and transport model into usual fire simulation program, the prediction of the probability of fire deaths can be improved. By reducing toxic exposure through choosing appropriate enclosure geometry and ventilation, the probability of fire deaths can be reduced and by improving early fire warning system, the probability of fire can be mitigated. Consequently, both result in mitigation of fire risk.Diese Arbeit beschreibt eine Methode, das Brandrisiko durch die Entwicklung und Einbettung eines Modells für die Bildung von toxischen Schadstoffen, insbesondere CO, in ein konventionelles Computational Fluid Dynamics Modell (CFD) besser zu beschreiben und durch geeignete Maß nahmen zu verringern.
Ungefähr zwei Drittel aller durch Brände in geschlossenen Räumen entstehenden Todesfälle können auf die Anwesenheit von Kohlenmonoxid im Rauch zurückgeführt werden. Allerdings wurden im einigen Studien auch andere toxische Stoffe als Todesursache gefunden. Aus diesem Grund macht eine umfassende Brandbewertung Fachwissen über die Bildung von Schadstoffen wie CO, NOx, SOx, H2S, HCN, HCl etc. unabdingbar. Ein Großteil der bislang durchgeführten Studien zur Schadstoffbewertungen beziehen sich lediglich auf empirische Daten von (z.B. CO und Ruß) oder auf solche Daten, die aus wenig umfangreichen empirischen Brandmodellen gewonnen wurden. Bisher wurden diese Daten nicht systematisch mit den Konzentrationen der zahlreichen toxischen Schadstoffe in tatsächlichen Bränden verglichen. In der Realität variiert die toxische Schadstoffbildung mit den Stoffen, die verbrennen und den Verbrennungsbedingungen -insbesondere mit dem GER (Global equivalence ratio) (Kehrwert des Luftüberschusses) und der Temperatur. Die Verwendung einer konstanten Schadstoffentstehung aus den wenig umfangreichen Experimenten kann zu einer signifikanten Fehleinschätzung in der toxischen Gefahrenanalyse führen. Aktuell verfügbare CFD Codes haben entweder kein Modell für die toxischen Schadstoffbildung implementiert oder eines mit stark limitierter Vorhersagegenauigkeit nur für CO.
In dieser Arbeit werden detaillierte Untersuchungen des Einflusses von Luftüberschuss und Temperatur auf die Schadstoffbildung bei der Verbrennung verschiedener Materialien mit Hilfe von chemischen Gleichgewichtsberechnungen durchgeführt.
Dabei werden zuerst die Ergebnisse dreier verschiedener CFD Brandsimulationsprogramme mit experimentellen Daten verglichen und schließlich eines davon wegen der Qualitat seiner lokal instationären Temperatursimulationen ausgewählt. Die drei Simulationsprogramme brauchen die gleiche Rechenzeit auf dem gleichen Rechner. Ein Sub-Modell wurde entwickelt, um lokale toxische Schadstoffkonzentration vorherzusagen, indem eine Spezies-Transportgleichung mit künstlichen Quelltermen im Postprocessing gelöst wird. Für die Berechnung dieser Quellterme werden die Gleichgewichtskonzentrationen und Reaktionstemperaturgrenzen verwendet. Schließlich wird das entwickelte Modell mit dem ausgewählten CFD Programm-FDS gekoppelt. Die Ergebnisse der Simulationen mit diesem Programm werden mit experimentellen Daten teilweise auch in verkleinertem Maßstab verglichen. Die Vorhersage des CO zeigt gute Übereinstimmung mit den experimentellen Daten.
Es wird gezeigt, wie die Wahrscheinlichkeit eines Brandes und Schäden d.h. das Risiko mit Hilfe der Fehlerbaumanalyse und der Ereignisablaufanalyse abgeschätzt werden könnte, wenn ausreichendes statistisches Datenmaterial vorhanden wäre.
Durch die Implementierung des entwickelten Modells für die Bildung toxicher Schadstoffe kann die Wahrscheinlichkeit von Todesfällen besser abgeschätzt werden. Durch die angemessene Wahl der Raumgeometrie und Belüftung kann die Wahrscheinlichkeit von Todesfällen vermindert werden. Wird zudem durch verbesserte Brandfrühwarnsysteme die Wahrscheinlichkeit von Bränden reduziert, wird des Risiko durch beide Maßnahmen stark vermindert
Modellierung von beheizten laminaren und turbulenten Strömungen in Kanälen beliebigen Querschnitts
No full textAuf Basis der Methode der finiten Elemente wurde ein numerisches Verfahren zur Berechnung beheizter Strömungen entwickelt, dessen Leistungsfähigkeit und Genauigkeit anhand der Berechnung laminarer und turbulenter Strömungsfälle nachgewiesen wurde. Durch die Wahl der Methode der finiten Elemente und die neu entwickelte lokale partielle Parabolisierung sind auch extrem langgestreckte Volumenelemente problemlos handhabbar. Neue konsistenzerhaltende Diskretisierungen der Transportgleichungen der Turbulenzgrößen tragen zur Stabilität und Effizienz des Verfahrens bei. Die neuartige Behandlung des wandnahen Bereichs schafft zusammen mit unterschiedlichen Stoffwertmodellen die Voraussetzung der Anwendbarkeit des Berechnungsverfahrens auch auf stark beheizte Strömungen. Der technisch interessante Fall rauher Wände findet durch eine Erweiterung der low-Re-k-epsilon-Modellierung Berücksichtigung. Mit Hilfe eines allgemeinen nichtlinearen Ansatzes des Reynoldsschen Spannungstensors in Form eines expliziten algebraischen Reynoldsspannungsmodells konnten in Verbindung mit der neuen Behandlung des wandnahen Bereichs die zur Validierung herangezogenen experimentellen Daten im Rahmen der Meßgenauigkeit vorhergesagt werden. Die eingesetzten Modelle ermöglichen zusammen mit dem neuen numerischen Verfahren die präzise Vorhersage des Wärmeübergangs in längsangeströmten Stabbündeln sowie allgemein in laminar sowie turbulent durchströmten Kanälen beliebigen Querschnitts.Based on the finite element method a CFD code has been designed. Its efficiency and accuracy has been proved on heated laminar and turbulent flows. Extremely small aspect ratios of volume elements do not lead to numerical problems since the finite element method is used in combination with a new local partial parabolization method, developed in this project. Stability and efficiency have been improved by modified discretization schemes of the transport equations for the turbulence intensity and length scale. The new discretization schemes developed in this work are fully consistent. Realistic flow fields with high heat fluxes at walls can be predicted, since a new treatment of the near wall region and efficient methods for the calculation of real material properties for different fluids have been developed. Rough walls are of technical interest and are treated using a new extension of low-Re k-epsilon-models. Using an universal nonlinear explicit algebraic Reynolds stress model in combination with the new treatment of the near wall region, experimental results for the flow cases used for validation are predicted within the experimental error bounds. The combination of models implemented in the new code makes it possible to precisely predict flow fields and local heat transfer for single-phase fluid flow over rod bundles and generally for laminar and turbulent flow in ducts of arbitrary cross-section
Entwickung und Simulation einer hochintegrierten oxidkeramischen Brennstoffzelle
No full textThe present work focuses on the development and investigation of Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) with Direct Internal Reformation (DIR) of methane. To optimize their performance, key aspects for design, materials, and manufacturing are derived from the basic operational principles. Together with the results of a detailed review on the current state of the art in the field of SOFCs design concepts they are used to develop a novel janiform configuration of an anode
supported Integrated Planar-SOFC (IP-SOFC) system.
As preparative studies for a 3D investigation of the concept with a Computational Fluid Dynamics (CFD) model, the possible influences of the anode microstructure and composition as well as of elementary surface reactions on the overall cell performance and numerical results are studied. Additionally, individual submodels for the physical phenomena of interest are set up and verified. For the electrochemical reactions, next to an alternative approach based on a local description of the potential dependent equations, two additional approaches, applicable to different levels of geometrical complexity, are proposed.
Together with the results of the microstructural investigation it is derived that, due to the small ionic conductivity of Yttrium Stabilized Zirconium (YSZ), the optimal equivolumetric mixture of the anode’s cermet components should only be applied to a thin active layer close to the electrolyte surface. Inside the support structure the focus should lie on a high electric conductivity and gas penetration.
The CFD simulation focuses on a three-cell series connection and covers a parameter study on the cell voltage and inlet temperature. Both parameters can be applied to balance the effects of electrochemistry and reformation in order to minimize the temperature differences inside the anode. Although the contribution of CO to the overall current density increases in flow direction to almost 10 %, the system in total converts the hydrogen first. Finally, it is figured out that the system shows a high system efficiency for long cascade of more than ten cells.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung von oxdikeramischen Brennstoffzellen (engl.: Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)) mit direkter interner Reformierung von Methan. Zur Optimierung ihrer Leistungsfähigkeit werden ausgehend von den physikalischen Grundprinzipien, Randbedingungen für das Design, die Materialauswahl und Herstellungsweise abgeleitet. Aufbauend auf dem aktuellen Stand der Technik im Bereich der SOFC Konstruktion wird aus den gewonnenen Erkenntnissen ein neuartiges Design mit janusförmig angeordneten Elektroden entwickelt.
Zur Vorbereitung auf eine dreidimensionale Untersuchung des Konzepts mit den Methoden der numerischen Strömungsmechanik (engl.: Computational Fluid Dynamics (CFD)) werden mögliche Einflussparameter auf die Zellleistung und die numerischen Ergebnisse hinterfragt. Dabei handelt es sich einerseits um Abhängigkeiten von der Mikrostruktur und Zusammensetzung der Anode und andererseits um die Bedeutung elementarer Oberflächenreaktionen. Zusätzlich dazu werden für alle relevanten physikalischen Phänomene separate Submodelle entwickelt und verifiziert. Neben einem alternativen Ansatz, welcher von einer lokalen Beschreibung der potentialabhängigen Gleichungen ausgeht, werden zwei weitere Beschreibungen für die elektrochemischen Reaktionen in verschieden komplexen Rechengitter formuliert.
Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass in Folge der geringen ionischen Leitfähigkeit von mit Yttrium stabilisiertem Zirkoniumoxid (engl.: Yttrium Stabilized Zirconium (YSZ)) die optimale isovolumetrische Mischung der Bestandteile des Anodencermets nur innerhalb einer dünnen, elektrochemisch aktiven Reaktionsschicht an der Grenze zum Elektrolyten verwendet werden sollte. Innerhalb der stutzenden Anode sollte die Zusammensetzung zu Gunsten der elektrischen Leitfähigkeit und Gasdurchlässigkeit angepasst werden.
Bei den CFD-Simulationen wird eine Reihenschaltung aus drei Zellen einer Parameterstudie bezüglich Einlasstemperatur und Betriebsspannung unterzogen. Es zeigt sich, dass beide Parameter dazu verwendet werden können die thermischen Auswirkungen von Elektrochemie und Reformierung gegeneinander auszubalancieren und so die Temperaturgradienten innerhalb der Anodenstruktur zu minimieren. Ferner folgt, dass obwohl der Kohlenmonoxid (CO)-Anteil an der Gesamtstromdichte in Richtung des Gasflusses zunimmt, er nie einen Wert von etwa 10 % überschreitet. Global betrachtet konvertiert das System daher zunächst den Wasserstoff und nachfolgend das CO. Abschließend wird gezeigt, dass das entwickelte System für lange Kaskaden von mehr als zehn Zellen einen hohen Gesamtwirkungsgrad aufweist
The Power of Language and Silence: Reinhard Jirgl’s Die Stille
No full textReinhard Jirgl (1953–) is an emphatically German author. He insists that German is “die Sprache in der ich denke, spreche und schreibe,”¹ and the award of several prestigious prizes (including the Büchner Prize in 2010) has confirmed his place in the German literary tradition. Yet Jirgl uses the German language in consistently and characteristically iconoclastic ways to challenge the authority of historical, political, and institutional discourse. Precisely because his work went against the ideological prescriptions of the East German state, it remained unpublished in the GDR, where Jirgl lived and worked. Since unification he has become a prolific author,..
- …
