FLOREAN

FLOREAN - Numerische Brennkammersimulation

Feuerungen
Für die Weiterentwicklung von Feuerungen werden zunehmend statt teurer Experimente Simulationen eingesetzt. Für diesen Zweck wurde am Institut das Simulationsprogramm FLOREAN (FLOw and REActioN) entwickelt, das die partiellen Differentialgleichungen der Erhaltungssätze von Energie, Impuls und Masse und den an den Reaktionen beteiligten Stoffkomponenten (Brennstoff, Sauerstoff, Abgaskomponenten, Schadstoffe) numerisch mit einem Finite-Volumen-Verfahren integriert. Der Einfluss der Turbulenz auf die Transportvorgänge wird durch das k-e-Turbulenzmodell und der Wärmeübergang durch Strahlung durch ein Sechs-Fluss Modell berechnet. Für jedes der bis zu 1 Mio Volumenelemente ist numerisch ein gekoppeltes System von 18 partiellen Differentialgleichungen einschließlich der Reaktionskinetik des Abbrandes zu lösen. Für die Berechnungen stehen dem Institut SUN-Workstations zur Verfügung. Zur Auswertung der Ergebnisse finden umfangreiche Grafikprogramme Verwendung, u.a. zur Ausgabe des Verlaufs jeder beliebigen Berechnungsgröße in frei wählbaren Schnitten.

Wirbelschichtfeuerungen
Für die Strömungsmechanik und Verbrennung in Wirbelschichtfeuerungen wurde auch ein vereinfachtes eindimensionales Wirbelschichtmodell entwickelt, das erstmals die Korngrößenverteilung berücksichtigt. Darüber hinaus wurde auf der Basis von FLOREAN ein dreidimensionales Euler-Lagrange-Simulationsprogramm entwickelt, wobei das Bettmaterial und die Kohle nach der Lagrangeschen Methode berechnet werden. Diese Modelle liefern räumliche Temperatur-, Geschwindigkeits-, Konzentrations- und Porositätsverteilungen, die auch für die nachfolgenden Schadstoffberechnungen verwendet werden. Die Kinetik der Schadstoffentstehung und Schadstoffeinbindung in der Wirbelschicht wird mit angepassten kinetischen Modellen simuliert.

Thermische Abfallbehandlung
Das Institut plant, das Programm FLOREAN auch auf die thermische Abfallbehandlung anzuwenden. Erste Berechnungen der Strömung im Strahlungsraum einer Abfallverbrennungsanlage wurden durchgeführt. Damit sollen auch Vorschläge zur Verbesserung der Verbrennung auf dem Rost numerisch berechnet werden können.

Verschlackung und Verschmutzung
Bei der Verbrennung fester Brennstoffe werden mineralische Bestandteile im Temperaturkonzentrationsfeld der Feuerung umgewandelt zu Schlacke und Asche. Dieser Umwandlungsprozss kann zu Verschlackungen und Verschmutzungen der Feuerraumwände und der nachfolgenden Heizflächen führen und große Probleme im Betrieb verursachen. Das Programmsystem FLOREAN bietet die Möglichkeit, Flugbahnen einer repräsentativen Anzahl (einige zehntausend) von Kohlepartikeln und die Umwandlungsvorgänge auf diesen Flugbahnen zu berechnen und dadurch genauere Vorhersagen über das Verschlackungs- und Verschmutzungsverhalten zu treffen.