Entwicklung eines Verbrennungsmodells für wasseremulgierte Flüssigbrennstoffe

Verbrennung ist der weltweit wichtigste Prozess zur Umwandlung chemisch gebundener Energie in technisch nutzbare Wärme. Der Einsatz von Wasser hat dabei das Potenzial, Luftschadstoffe wie Stickoxide effizient zu reduzieren. Für die Entwicklung derartiger Verbrennungssysteme sind heute Simulationen wichtige Werkzeuge. In der vorliegenden Arbeit wird dazu der Einfluss von Wasser auf die Verbrennung flüssiger Brennstoffe (mit Emulsionsbezug) durch experimentelle und numerische Methoden modelliert. Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, eine Methode zur Charakterisierung der Wärmefreisetzungsrate von komplexen Flüssigbrennstoff-Wasser-Emulsionen für die Anwendung in Simulationen zur Modellierung der Verbrennung derartiger Emulsionen zu entwickeln. Im Fokus der Untersuchung steht das in ölbefeuerten Gasturbinen zum Einsatz kommende Heizöl. Die Charakterisierung bezieht sich dabei rein auf die Gasphase. Zerstäubung und Verdampfung stellen jeweils eigene Themenbereiche dar und sind nicht Gegenstand dieser Arbeit. Das Erreichen des Ziels bedarf der Kombination aus einer experimentellen und einer numerischen Vorgehensweise. Auf experimenteller Seite wird zunächst eine Methodik zur Bestimmung laminarer Brenngeschwindigkeiten von langkettigen Flüssigbrennstoff-Wasser-Mischungen aufbauend auf der am Teilinstitut für Verbrennungstechnik des Engler-Bunte-Instituts am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) vorhandenen Methode der sphärisch expandierenden Flamme entwickelt. Dazu muss in erster Linie die bestehende Anlage um ein geeignetes Injektionssystem für Flüssigbrennstoffe und Wasser erweitert werden. Für die präzise Bestimmung der laminaren Brenngeschwindigkeit sind zudem die in großen Teilen notwendige Erneuerung der Messtechnik sowie die theoretische Überarbeitung der physikalischen Prinzipien der Auswertemethodik durchzufuhren und zu validieren. Da die Anwendung dieser Messmethode die thermodynamische Charakterisierung des jeweiligen Brennstoffs voraussetzt, muss für komplexe Flüssigbrennstoffe eine geeignete - auf einfach zuganglichen Messdaten wie Heizwert und Elementarzusammensetzung basierende - Modellierung der Gasphase (insbesondere der Gleichgewichtszustande) erfolgen.

Combustion is the world's most important process for the conversion of chemically bound energy into technically usable heat. In this context, the application of water has the potential to efficiently reduce air pollutants such as nitrogen oxides. Simulations are an important tool for the development of such combustion systems. In the present work, the influence of water on the combustion of liquid fuels (emulsion related) is modelled by experimental and numerical methods.