Table Of ContentFORSCH U NGSBE RICHTE
DES WIRTSCHAFTS- UND VERKEHRSMINISTERIUMS
NORDRH EIN -WESTFALEN
Herausgegeben von Staatssekretär Prof. leo Brandt
Nr.204
Dipl.-Ing. B. Naendorf
Bestimmung der BrenneigenschaA-en und des Brennverhaltens
verschiedener Gasarten und EinAuß verschiedener Düsengestaltung
aus dem
Gaswärme-Institut, Langenberg (Rhld.), leiter: Prof. Dr.-Ing. F. Schuster
Als Manuskript gedruckt
WESTDEUTSCHER VERLAG / KöLN UND OPLADEN
1955
ISBN 978-3-663-03215-1 ISBN 978-3-663-04404-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-04404-8
Forsohungsberiohte des Wirtsohafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
G 1 i e der u n g
I. Entwicklung der Gasgewinnung, heute erzeugte und
verwendete Gasarten . . • • . • s. 5
11. Gasprüfverfahren und Prüfgeräte • S. 6
111. Der Prüfbrenner von Prof. OTT und die Ottzahl •.. S. 7
IV. Untersuchung verschiedener Gase auf ihr brenntechnisches
Verhalten im Ottbrenner •.• S. 8
1. CO - CH4 - H2 - Gemische. • •••• S. 8
2. Einfluß des Zusatzes inerter Gase zu CO - CH4 - H2 -
Gemischen S. 9
3. Ferngas s. 9
4. Generatorgas S. 10
5. Flüssiggas (Propan) S. 10
6. Erdgas •• S. 11
V. Abhängigkeit der Ottzahl vom Düsendurchmesser und
. . . . . . . . . . . . . . . . .
Gasvordruck S. 11
VI. Einfluß der Düsengestaltung, der Gasdichte und des
Vordruckes auf die Ansaugung von Primärluft • S. 11
1. Einfluß der Düsenöffnung auf die Ansaugung von
Primär luft • • • • • • . S. 12
2. Der Einfluß des Gasdrucks auf die Ansaugung von
Primär 1 uft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . s. 13
3. Der Einfluß der Gasdichte auf die Ansaugung von
Primär luft • • • • • • • • • • • • • • • • • • . s. 13
4. Der Einfluß der Düsenunterteilung auf die Ansaugung von
Primärluft . . . . . . . . . . . . . . . . . s. 14
5. Der Einfluß der Düsenquerschnittsveränderung bei
gleichem Gasdurchgang und erhöhtem Druck auf die
Ansaugung von Primär luft • • • • • . • . • s. 15
6. Der Einfluß der Mischrohrform und des Mischrohrdurch-
. . .
messers auf die Ansaugung von Primär luft . s. 16
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Zusammenfa.ssung s. 16
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
I. Entwicklung der Gasgewinnung, heute erzeugte und
verwendete Gasarten
Die Ursprünge der Gaserzeugung liegen am Ende des 18. Jahrhunderts. Zu
dieser Zeit begann man damit, Leuchtgas durch Erhitzen von Steinkohlen
in eisernen Retorten herzustellen. Da das Gas seiner Zeit fast ausschließ
lich für Beleuchtungszwecke verwandt wurde, legte man bei der Erzeugung
Wert darauf, ein Gas mit guten Leuchteigenschaften herzustellen. Das Gas
hatte aber einen ziemlich hohen Gehalt an strahlenden Bestandteilen, der
hauptsächlich durch den großen Benzolgehalt bedingt war. Die Verbrennungs
wärme lag über 5300 kcal/Nm3•
Der steigende Koksbedarf der Hüttenindustrie und die in gleichem Maße
größer werdende Kokserzeugung verfeinerte die Herstellungsverfahren. Da
mit wurde es möglich, das anfallende Gas abzusaugen und ebenfalls der
Verwertung zuzuführen. Während früher das bei der Entgasung anfallende
Gas als Nebenprodukt galt, stellt es heute einen ebenso wichtigen Faktor
für die Volkswirtschaft dar, wie der in den Öfen gewonnene Koks. Das auch
als Ferngas bezeichnete Koksofengas hat eine Verbrennungswärme von rd.
4500 kcal/Nm3• Dieser große Energiegehalt erklärt sich aus den hohen An
teilen an Wasserstoff und insbesondere Methan. Das Ferngas besitzt rund
% %
50 - 60 Wasserstoff (H2) und etwa 25 Methan (CH4).
Das Generatorgas ist seit 1837 bekannt. Hergestellt wurde es zuerst in
einer dem Schachtofen ähnlichen Anlage durch die Vergasung fester Brenn
stoffe. Der Generator machte verschiedene Entwicklungsstufen durch, bevor
man (seit 1890) einen Drehrost einbaute. Heute besitzen die meisten Gene
ratoranlagen Drehroste. Als Vergasungsmittel benutzte man zunächst Luft.
Das so entstehende Luftgas weist eine Verbrennungswärme von rd. 1100 kcal/
3
Nm auf. Der Franzose EBELMAN setzte dann dem Unterwind des Generators
Wasserdampf zu und erzeugte auf diese Weise eine Mischung aus Luft und
Wassergas, die als Halbwassergas bezeichnet wird. Das entstandene Gas
besitzt einen höheren Heizwert, so daß dieser Weg der Brennstoffvergasung
beibehalten wurde. Das Mischgas hat einen Heizwert von rund 1300 kcal/Nm3•
Im übrigen ist der Heizwert von der Art des vergasten Brennstoffes abhän
% %
gig. Das Gas besteht aus rund 28 Kohlenoxyd (CO), 50 Stickstoff (N )
2
%
und 12 Wasserstoff (H ). Da im Generator auch minderwertige feste Brenn
2
stoffe, wie Torf und Braunkohle sogar in feinkörniger Art zu vergasen sind,
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
werden in vielen Fällen Generatoren dort aufgestellt, wo andere Gase nicht
zur Verfügung stehen.
Nach dem Chemiker H. BLAU wurde das von ihm erfundene Blaugas benannt.
Es enthält die verflüssigbaren Bestandteile des Ölgases, Butan, Propan
%
und größere Anteile von Äthan und Äthylen und zudem etwa 20 Methan, das
sich in dem flüssigen Gas in gelöstem Zustande befindet.
Da der Verflüssigungsdruck bei etwa 100 atü liegt, werden zur Speicherung
und zum Transport verhältnismäßig schwere Flaschen benötigt. Das Blaugas
ist heute durch das übliche Flüssiggas, einem Gemisch von Propan und Butan,
verdrängt worden. Hier ist der erforderliche Überdruck bedeutend geringer.
In steigendem Maße wird heute in Deutschland für Wärmzwecke das Erdgas
verwandt. Es ist ein Naturgas, das ohne jede technische Einwirkung ent
stand. In der Hauptsache besteht es aus Methan. Das Erdgas kommt entweder
ölfrei in seinen Gaslagerstätten oder als Begleiter in Erdöllagern vor.
Im ersten Falle wird es als "trockenes" Erd- oder Naturgas bezeichnet,
während es im Verein mit Erdöl als "nasses" Gas auf den Markt kommt. Das
nasse Gas enthält je nach der Ölbeschaffenheit mehr oder weniger große
Mengen an Kohlenwasserstoffen.
11. Gasprüfverfahren und Prüfgeräte
Die Frage der Brenneigenschaften und des Brennverhaltens von Gasen hat
schon mit den Anfängen der Gaswirtschaft die in Frage kommenden Stellen
beschäftigt. Vor allem versuchte man die brenntechnischen Eigenschaften
des Stadtgases - damals wurde es noch als Leuchtgas bezeichnet - zu unter
suchen und festzulegen. Da das Gas seinerzeit nur für Beleuchtungszwecke
verwandt wurde, befassen sich die Prüfverfahren ausschließlich mit der
Untersuchung der Leuchtkraft des Gases. Entsprechende Prüfgeräte, wie
der Leuchtgasprüfer von ERDTMANN und der Gasprüfapparat von GIROUD, wur
den bald durch die modernen photometrischen Methoden verdrängt.
Nachdem das Gas als Wärmelieferant immer mehr an Bedeutung gewann, wurde
es notwendig, neben der leuchttechnischen Gasprüfung brenntechnische Un
tersuchungsmethoden zu entwickeln. Beim Studium der Verbrennungsvorgänge,
insbesondere am Bunsenbrenner, zeigte sich, daß neben dem Heizwert des
Gases der Luftbedarf, die Zündgeschwindigkeit und die Gasdichte das Brenn
verhalten beeinflussen. Der Bunsenbrenner ist für diese Untersuchungen
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Forschungsberichte des Wirtschafts- und Verkehrsministeriums Nordrhein-Westfalen
das geeignete Gerät. Er nimmt in der Reihe der Gasbrenner eine besondere
Stellung ein, weil das bei ihm vorliegende Injektorprinzip neben den Gas
geräten des Haushalts auch bei Industriebrennern verwandt wird. Zur brenn
technischen Bewertung eines Gases müssen die vorgenannten Eigenschaften
alle mit herangezogen werden. Luftbedarf, Zündgeschwindigkeit und die
Dichte des Gases lassen sich im einzelnen gut bestimmen. Für die Praxis
aber, auf einem Gaswerk oder einer Kokerei, kann das abzugebende Gas so
nicht laufend untersucht werden, weil eine Reihe von hierfür erforderli
chen Einzeluntersuchungen zu zeitraubend sind. Für den praktischen Betrieb
also wird ein Gerät verlangt, mit dem alle diese Eigenschaften additiv
und zusammen rasch geprüft werden können. Diese Forderungen erfüllen am
besten Geräte, die in Form des Bunsenbrenners nach dem Injektorprinzip
arbeiten, sich also aufgrund der dem Gasstrahl innewohnenden kinetischen
Energie einen Teil der Verbrennungs luft ansaugen. Solche Geräte wurden
von Prof. OTT, von Dr.-Ing. E. CZAKO und Dr.-Ing. E. SCHAACK und von STA
WITZ entwickelt.
111. Der Prüfbrenner von Prof. OTT und die Ottzahl
Der Prüfbrenner von Prof. OTT, der vorgenannte Ott-Brenner, mit dem die
noch näher zu beschreibende Versuche durchgeführt wurden, ist ein Teclu
Brenner. Die Größe der Primärluftzufuhr wird durch Heben oder Senken einer
Scheibe geregelt. Die Scheibe trägt einen Zeiger, der über eine in 100 Teil
striche unterteilte Skala läuft. Liegt die Scheibe fest an dem unteren Teil
des Mischrohres an, so steht der Zeiger auf der Marke Null. Der in der
Gaszufuhrleitung eingebaute Druckmesser gestattet es, den Vordruck abzu
lesen und konstant zu halten. Der Brennermund ist von einer Blechhaube um
geben. Sie soll die Flamme vor Luftbewegungen im Raum schützen und damit
ein ruhiges und gleichmäßiges Brennen gewährleisten. Der Brenner ist ein
fach zu handhaben. Als zahlenmäßig erfaßbares Merkmal wird der Flacker
punkt bestimmt. Ist dieser Punkt bei einer bestimmten Stellung der Scheibe
und damit einer bestimmten Luftzufuhrmenge erreicht, so beginnt die Flamme
zu flackern. Der Gasdruck ist auf 40 mm WS eingestellt, damit geht eine
bestimmte Gasmenge durch den Brenner. Im einzelnen wird der Versuch so ge
fahren, daß der Zeiger auf der Nullmarke steht. Hier brennt die Flamme als
Leuchtflamme. Durch Drehen der Scheibe wird mehr und mehr Primärluft zuge
geben, bis die Flamme zu flackern beginnt. Die dabei eingestellte Zahl auf
der Kreisskala bezeichnet man als Ottzahl. An Stelle des Flackerpunktes
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kann auch der Rückschlagpunkt der Flamme in das Brennerrohr als Charak
teristikum der Brenneigenschaften festgelegt werden. Das Flackern der
Flamme geht dem Rückschlagen unmittelbar voraus. Die Flamme schlägt zu
rück, wenn die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Gas-Luft-Gemisches in
das Brennerrohr hinein größer wird als seine Ausströmgeschwindigkeit. Die
Fortpflanzungsgeschwindigkeit ist direkt proportional der Zündgeschwin
digkeit, dabei ist die Größe des Proportionalitätsfaktors abhängig von
den Baudaten des Brenners. Für jedes brennbare Gas-Luft-Gemisch ist eine
Zündgeschwindigkeitskurve charakteristisch. Sie besitzt ihr Maximum unge
fähr dort, wo das Gas-Luft-Gemisch luftsatt ist, d.h. wo gerade die zur
Verbrennung notwendige Luftmenge vorhanden ist.
Die Ottzahl ist ein Kennwert, der sich aus drei Grundgrößen, und zwar der
maximalen Zündgeschwindigkeit eines Gases, dem Dichteverhältnis und der
Verbrennungswärme zusammengesetzt. Wie diese drei Größen mit der Ottzahl
zusammenhängen, ist bislang nicht genau bekannt. Empirisch hat man fest
gestellt, daß die beste Übereinstimmung mit der Ottzahl folgende Glei
chung ergibt:
Vw
OZ
dv • u
Dabei ist:
3
Vw die Verbrennungswärme in kcal/Nm
dv das Dichteverhältnis (Luft = 1 )
u die maximale Zündgeschwindigkeit
des Gases in cm/sec.
IV. Untersuchung verschiedener Gase auf ihr brenntechnisches
Verhalten im Ottbrenner
Das brenntechnische Verhalten der heute gebräuchlichen Gase wurde im Ott
brenner untersucht und dabei die Abhängigkeit der Ottzahl vom Düsenbren
ner und dem Versuch des Prüfbrenners festgelegt. Es wurden Düsen mit den
Durchmessern 0,7 mm, 0,8 mm, 0,9 mm, 1,0 mm, 1,1 mm und 1,2 mm verwandt.
Bei jeder Düse wurde mit 10 verschiedenen Vordrucken gefahren.
1. CO-CH4-H2-Gemische
Die Untersuchung der CO-CH -H -Gemische zeigte, daß Ottzahlen nur in einem
4 2
%
bestimmten Mischungsbereich auftreten. Gemische von über 33,3 Methan
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ergeben keine Ottzahl mehr, die Flamme hebt selbst bei genügender Primär
%
luftzufuhr vom Brennermund ab. Bei einem Wasserstoffanteil von über 80
im Gasgemisch verhält es sich umgekehrt. Die Gemische haben ebenfalls kei
nen definierten Flackerpunkt, aber die Flamme schlägt bei einer bestimmten
Primärluftmenge in den Brenner zurück. In dem übrigen Bereich hat jedes
Gasgemisch bei einer Düse von 0,8 mm Durchmesser und einem Vordruck von
100 mm WS einen gut feststellbaren Flackerpunkt.
Der Ottprüfbrenner läßt sich aber nicht zur brenn technischen Prüfung von
%
Gasgesmischen mit über 33,3 CH4 und Mischungen mit einem Wasserstoffge
%
halt von über 90 als Prüfinstrument verwenden.
Grundsätzlich läßt sich für CH4-H2-CO-Gemische sagen, daß die Ottzahlen
bei steigendem H2-Gehalt, sinkendem CO-Gehalt und gleichbleibendem CH4-
Anteil größer werden, und zwar steigt die Kurve bei kleineren H -Anteilen
2
%
erst geringer an, um dann ab einem H -Gehalt von 50 steiler zu verlau
2
fen. Ein hoher CO-Anteil im Gasgemisch bewirkt kleine Ottzahlen, ein hoher
H -Anteil große Ottzahlen.
2
2. Einfluß des Zusatzes inerter Gase zu CO-CH4-H2-Gemischen
In einer zweiten Versuchsserie wurde der Einfluß der Inerten untersucht.
Dem H2-CO-CH4-Gemisch von 40 : 40 : 20 wurden steigende Prozentsätze von
Stickstoff (N2) und dann auch von Kohlendioxyd (C02) zugegeben. Begonnen
% %
wurde dabei mit einem Gemsich von 90 H2-CO-CH4 und 10 N2 bzw. CO2.
Das nächste Gemisch hatte das Verhältnis 80 : 20 usw. Es zeigte sich, daß
durch Inerten-Zusätze zum Grundgasgemisch die Ottzahlen kleiner wurden.
Dabei beeinflußt der Stickstoff im Vergleich zum Kohlendioxyd das Absin
ken der Ottzahl weniger. Das erklärt sich daraus, daß CO ein größeres
2
spez. Gewicht hat als N und dadurch die Injektorwirkung größer wird. Be
2
%
finden sich im Gasgemisch über 50 inerte Gase, so hebt die Flamme vom
Brennermund ab. Die Zündgeschwindigkeit ist also bedeutend kleiner gewor
den als die Ausströmgeschwindigkeit.
3. Ferngas
Das bei den Versuchen verwendete Ferngas hatte folgende Zusammensetzung:
%
Kohlendioxyd 1,3
%
schw. KW-Stoffe 1,8
Sauerstoff 0,5 %
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Kohlenoxyd CO 4,9 %
Wasserstoff H2 60,3 %
Methan CH4 23,4 %
Stickstoff N2 7,8 %
Verbrennungswärme Vw 4570 kcal/Nm3
Die hiermit durchgeführten Versuche zeigten, daß keine Ottzahlen für die
Düsen mit 1,0 und 1,1 mm Durchmesser und ab 150 mm WS bzw. 100 mm WS ge
messen werden konnten. Für die Düse mit dem Durchmesser von 1,2 mm wurden
über den ganzen Vordruckbereich keine genauen Werte gefunden. Das Flackern
trat hier sehr unregelmäßig auf und erstreckte sich über ein großes Inter
vall. Genaue Ottzahlen lieferten die Düsen von 0,7 mm, 0,8 mm und 0,9 mm
Durchmesser über den gesamten Vordruckbereich. Die Werte der Ottzahlen
fallen bei den Versuchen von 25 mm WS bis zu 100 mm WS ab, haben hier
ein Minimum und steigen dann wieder an.
4. Generatorgas
Das Generatorgas mit der Zusammensetzung
Kohlendioxyd CO2 5,0 %
Kohlenoxyd CO 28,0 %
Wasserstoff H2 12,0 %
Methan CH 1 ,0 %
4
Stickstoff N2 54,0 %
lieferte keine Ottzahlen. Lediglich bei der 0,8 mm Düse und hier nur bei
ws
Vordrucken von 50 mm bis zu 150 mm WS konnten Ottzahlen ermittelt wer
den. Die Werte liegen verhältnismäßig niedrig. Der Grund ist in dem hohen
Anteil an inerten Gasen im Generatorgas zu finden.
5. Flüssiggas (Propan)
Die Flüssiggasversuche wurden mit Propan (Vw = 23 800 kcal/Nm3; Dichte
%
dv = 1,68) und Luft durchgeführt. Bei Gemischen bis zu 10 Propan im
Gas-Luft-Gemisch schlug die Flamme in das Brennerrohr zurück, ohne vor
%
her einen Flackerpunkt aufzuweisen. Enthielt das Gemisch 20 Propan, so
schlug die Flamme bei kleinen Vordrucken zurück, bei Vordrucken über
ws %
75 mm hob sie sich ab. Bei einem Propananteil von 30 und mehr löste
sich bei allen Düsen und Vordrucken die Flamme vom Brennermund ab.
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6. Erdgas
Die Versuche mit Erdgas (es besteht in der Hauptsache aus Methan) bestä
tigten die schon vorerwähnte Tatsache, daß der Ottbrenner für Methan nicht
zu verwenden ist.
V. Abhängigkeit der Ottzahl vom Düsendurchmesser und Gasvordruck
Versuche über die Abhängigkeit der Ottzahl vom Düsendurchmesser und Vor
druck zeigten, daß für ein und dasselbe Gas bei großen Düsen und kleinen
Vordrucken die höchsten Ottzahlen ermittelt wurden. Umgekehrt lieferten
kleine Düsen und hohe Vordrucke niedrige Prüfbrennerzahlen.
Die Ottzahl hängt nicht linear von der Düsengröße ab, sondern die Kurve
stellt den Ast einer Parabel dar.
Grundsätzlich ist zu sagen, daß die Ottzahl vom Düsendurchmesser und vom
Vordruck des Gases abhängig ist. Der funktionale Zusammenhang konnte hier
aber noch nicht gefunden werden.
Die in dieser Arbeit aufgezeigten Versuchsserien haben aber den Anwen
dungsbereich des Ottprüfbrenners abgegrenzt und Grundlagen geschaffen,
auf denen systematische Untersuchungen angesetzt werden können.
VI. Einfluß der Düsengestaltung, der Gasdichte und des Vordruckes
auf die Ansaugung von Primärluft
Weiterhin wurden nun näher die Einflüsse der Düsengestaltung, der Gas
dichte und des Vordruckes untersucht. Für diese Untersuchungen wurde
ebenfalls ein Bunsenbrenner verwandt. Das Prinzip des Bunsenbrenners be
ruht darauf, sich - wie schon erwähnt wurde - einen Teil der Verbrennungs
luft anzusaugen. Die Größe dieser Primärluftmenge ist aber von vielen
Faktoren abhängig. Läßt man z.B. das Gas unter erhöhtem Druck aus der
Düse des Brenners ausströmen, so vergrößert sich die angesaugte Luftmenge.
Dadurch wird also die Injektorwirkung des Brenners erhöht. Die erhöhte
Primärluftzufuhr bewirkt einen schnellen Ausbrand und damit eine größere
Wärmekonzentration je Raumeinheit. Der maximale Effekt wird erreicht, wenn
die gesamte zur Verbrennung des Gases erforderliche Luft als Primärluft
zugeführt wird; dann ergibt sich das kleinste Flammenvolumen und demnach
die höchste Wärmekonzentration.
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