Table Of ContentFORSCHUNGS BERICHT DES LANDES NORDRHEIN -WESTF ALEN
Nr. 2567 jFachgruppe Energie
Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn
vom Minister für Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Prof. Dr. -Ing. Hans Kremer
Dr. -Ing. Ekkehard Minx
Dipl. -Ing. Rudolf Rawe
v.,
Gaswärme-Institut e. Essen
Flammenstabilität
bei Gasbrennern mit Gebläse
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
© 1976 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, Op1aden 1976
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN 978-3-531-02567-4 ISBN 978-3-663-06793-1 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-06793-1
Inhaltsverzeichnis
Seite
1. Einführung in die Problemstellung und Zielsetzung
2. Literaturübersicht und theoretische Uberlegungen 2
2.1 Flammenstabilität von Vormischflammen 2
2.1.1 Beschreibung der Stabilitätsgrenzen 2
mit Hilfe der Peclet-Zahl
2.1.2 Der Einfluß des Blockierungsverhältnisses 3
auf die Flammenstabilität
2.1. 3 Folgerungen aus Stabilitätsuntersuchungen 5
an Vormischflammen auf die Stabilität von
Diffusionsflammen
2.2 Stabilität von Diffusionsflammen 5
2.2.1 Maximaler Brennstoffumsatz in der 6
Flammenfront einer Diffusionsflamme
2.2.2 Stabilitätsmessungen an Diffusionsflammen 7
hinter Stauvorrichtungen
2.2.3 Einführung der Peclet-Zahl zur Beschreibung 8
der Stabilität von Diffusionsflammen
2.2.3.1 Umformung der Beziehung für den maximalen 8
Brennstoffumsatz
2.2.3.2 Ableitung einer Näherungsbeziehung zur Be- 12
schreibung der Flammenstabilität durch
Grenzgeschwindigkeitsgradienten
2.2.4 Weitere Arbeiten über die Stabilität von 15
Diffusionsflammen
2.3 Schlußfolgerung aus den Erkenntnissen über 17
die Stabilisierung von Vormisch- und Diffu
sionsflammen
3. Versuchseinrichtung und Versuchsdurchführung 18
3.1 Versuchskanal 18
II
Seite
3.2 Versuchsbrenner 19
3.3 Brenngas- und Luftzufuhr 19
3.4 Anlage zur Ausmessung der Mischungsfelder 19
und der Begrenzungen der Rückströmgebiete
3.5 Versuchsdurchführung 21
3.5.1 Stabilitätsmessungen 21
3.5.2 Ausmessen der Mischungsfelder hinter den 23
Staukörpern
Untersuchungen 23
4.1 Stabilitätsmessungen 23
4.1.1 Phänomenologische Betrachtung des 23
Stabilisierungsvorganges
4.1.2 Vereinfachte Darstellung der Meßergebnisse 24
in Abhängigkeit von den Haupteinflußgrößen
4.1.3 Auswertung der Stabilitätsmessungen 27
4.1.3.1 Einführung der Peclet-Zahl 27
4.1.3.2 Verbesserung der Peclet-Zahl-Darstellung 29
durch BerücksiChtigung des Blockierungs
einflusses
4.1.3.3 Zusammenhang zwischen den Strömungsge- 29
schwindigkeiten von Brenngas und Luft
im Stabilitätsmaximum
4.1.3.4 Affine Abbildung der Löschkurven 30
4.1.3.5 Schlußfolgerungen aus den Ergebnissen der 31
Stabilitätsmessungen
4.2 Untersuchungen über die Ausdehnung der 32
Rückströmgebiete
4.3 Untersuchung der Mischungsvorgänge in den 33
Stabilisierungsgebieten
- IIr -
Seite
4.3.1 Bestimmung der örtlichen Brenngaskonzen
tration 33
4.3.2 Berechnung der durch die Begrenzungen der 35
Rückströmgebiete strömenden Brenngasmengen
4.3.3 Deutung des Vorganges der Flammenstabili 36
sierung
4.3.3.1 Verlöschen der Flammen durch Verlagerung der 36
Flammenfronten
4.3.3.2 Abreißen der Hauptflamme durch Uberschreiten 37
des kritischen Brenngasdurchsatzes
4.3.3.3 Verlöschen der Restflamme durch Wärmeabgabe 38
an kalte Strömungen
4.3.3.4 Entwicklung eines Stabilitätsmodelles 39
4.3.4 Temperaturmessungen 40
5. Untersuchung des Einflusses konstruktiver Maßnahmen 40
auf die Flammenstabilität
5.1 Ubersicht über das Versuchsprogramm 41
5.2 Einfluß einer radialen Brenngaszufuhr bei 42
Diffusions flammen
5.2.1 Stabilitätsmessungen 42
5.2.1.1 Darstellung der Meßergebnisse in Abhängig- 43
keit von den Haupteinflußgrößen
5.2.1.1.1 Stauscheiben 43
5.2.1.1.2 Stauscheiben mit Bohrungen 44
5.2.2 Auswertung der Stabilitätsmessungen 45
5.2.2.1 Uberprüfung der Anwendbarkeit der 45
Peclet-zahl-Darstellung
5.2.2.2 Rechnerische Ermittlung der Stabilitäts- 47
grenzen
5.3 Verbrennungsluft mit Drallkomponente 49
IV
Seite
5.3.1 Phänomenologische Betrachtung der 49
Stabilisierung mit Drall
5.3.2 Charakterisierung drallbehafteter Strahlen 50
5.3.3 Untersuchung der Geschwindigkeits- und 52
Druckverteilung in Strahlen stromabwärts
von Stauscheiben mit drallerzeugenden
Vorrichtungen
5.3.3.1 Meßtechnik 52
5.3.3.2 Versuchsergebnisse 53
5.3.4 Stabilitätsmessungen 54
5.4 Teilweise Vormischung von Brenngas und 55
Verbrennungs luft
5.4.1 Stabilitätsmessungen 55
5.4.1.1 Stauscheiben 55
5.4.1.2 Stauscheiben mit drallerzeugenden 56
Vorrichtungen und teilweiser Vormischung
6. Zusammenfassung der Ergebnisse 57
6.1 Probleme bei der Verwendung unterschied 57
licher Brenngase
6.2 Modellvorstellung zur Klärung der 58
Probleme
6.3 Anwendung der Modellvorstellung bei der 59
Entwicklung eines "Allgasbrenners"
7. Diskussion der bei den verschiedenen Messungen 62
möglichen Fehlerquellen
7 • 1 Stabilitätsmessungen 62
7.2 Konzentrationsmessungen 63
7.3 Temperaturmessungen 63
7.4 Messung des dynamischen Druckes und 64
Bestimmung der Längen der Rückströmgebiete
8. Zusammenfassung 65
v
Seite
9. Literaturübersicht 68
10. Bildanhang 75
VI
Formelzeichen
a Temperaturleitzahl
B Blockierungsverhältnis = Verhältnis aus Staukörper
fläche und Querschnitt des Außenrohres
B = (d2 _ d 2)/(D2 _ d 2)
1 1
modifiziertes Blockierungsverhältnis
2
- nB !.4 d-a
d 2
1
Breite der Flammenfront an der Begrenzung der Rück
strömzone bei stöchiometrischer Gemischzusammen
setzung (Definition nach Abb. 4)
c Spezifische Wärme
c Empirischer Koeffizient
D Innerer Durchmesser des Außenrohres
.
D Tangentiales Impulsmoment
00
Ö = 2 TI J p u w r2 dr
o
d Staukörperdurchmesser
d1 Äußerer Durchmesser des Innenrohres
d2 Innerer Durchmesser des Innenrohres
dB Durchmesser von Bohrungen in der Stauscheibe
E Aktivierungsenergie
FRZ Oberfläche der Rückströmzone
g Geschwindigkeitsgradient, Tangente an das Geschwin
=
digkeitsprofil an der Stelle u 0
- VII
H Heizwert
I Impulsstrom
k Konstante
L Länge der Rückströmzone
L{max) Länge der Rückströmzone im Stabilitätsmaximum
LCh Charakteristische Länge
.
m Massenstromdichte
"
m Massenumsatz durch Reaktion je Zeit- und Raumeinheit
Stöchiometrischer Luftbedarf bezogen auf eine
~,min
Masseneinheit
n Experimentell zu bestimmender Exponent
Anzahl von Bohrungen
P Druckkraft
00
P = 2 TI f p r dr
o
ü·d
Pe= - Peclet-Zahl, bezogen auf eine Strömungsgeschwindig
a
keit
Modifizierte Peclet-Zahl, bezogen auf eine Flammen
geschwindigkeit
R Allgemeine Gaskonstante
r Koordinate senkrecht zur Begrenzung des Rückströmge
bietes
s Drallzahl
s = D
D/2 <i + ll)
- VIII -
T Absolute Temperatur
t . Mittlere Reaktionszeit in der Flammenfront einer
mln
Diffusionsflamme
u örtliche Strömungsgeschwindigkeit in x-Richtung
Mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases,
bezogen auf den Innenrohrquerschnitt
uG(max) Mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Brenngases
im Stabilitätsmaximum
Mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Luft,
bezogen auf den Ringquerschnitt zwischen Außen
und Innenrohr
Mittlere Strömungsgeschwindigkeit der Luft,
bezogen auf den Ringquerschnitt zwischen Staukörper
und Außen rohr
V Volumen, Rauminhalt
V Volumenstrom
v Volumenstromdichte
• 11
V Umsatz durch Reaktion, bezogen auf eine Volumen
einheit
v örtliche Strömungsgeschwindigkeit in y-Richtung
Stöchiometrischer Luftbedarf, bezogen auf eine
Volumeneinheit
w örtliche Strömungsgeschwindigkeit in Z-Richtung
x Koordinate in Richtung der Flammenachse
y Koordinate senkrecht zur Flammenachse
y-Koordinate an der Begrenzung der Rückströmzone
