Projekt 09293/01

Durchführung systematischer Untersuchungen zur Rauchrohroptimierung

Projektdurchführung

Technische Universität Hamburg-HarburgArbeitsbereich Energietechnik
Denickestr. 15
21073 Hamburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In diesem Projekt wird untersucht, in welchem Maße die Verwendung verschiedener Turbulenzerzeuger in Rauchrohren zu einer Verbesserung des Wärmeüberganges unter Berücksichtigung der ansteigenden Druckverluste beiträgt. Durch die Verbesserung wird eine Absenkung der Abgastemperatur des Rauchrohrkessels erreicht. Der Kesselgesamtwirkungsgrad wird erhöht, es wird Brennstoffeinsparung erreicht und der CO2-Ausstoß wird geringer. Die durch die Turbulenzerzeuger erreichte Steigerung der Wärmestromdichte und dadurch Kesselnutzleistungserhöhung kann zur Ersparnis an Wärmeübertragungsflächen ausgenutzt werden. Dadurch wird eine Rauchrohrlänge- bzw. Rauchrohranzahlsenkung möglich. Demnach kann bei Gleichbehalten des Gesamtkesselvolumens der Brennraum vergrößert werden, was zu verzögerter Verbrennung und NOx-Emmissionabsenkung führt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs wurde eine Versuchsanlage konstruiert, an der nach einer Systematik an typischen Rauchrohren alle wärme- und strömungstechnisch relevanten Messungen vorgenommen worden sind. Außerdem werden bei Untersuchungen beim Kooperationspartner im Rauchrohrteil eines 2,5 MW Versuchskessels bei unterschiedlichen Lasten experimentell wärme- und strömungstechnische Kennzahlen ermittelt. Ziel ist dabei, Aussagen über die Wirksamkeit von Turbulenzerzeugern im Rauchrohrteil des Versuchskessels, die zur Verwirbelung der Strömung und damit zur Erhöhung des Wärmeüberganges und des Druckverlustes beitragen, zu gewinnen. Die Messungen im Rauchrohrbereich werden mit den Ergebnissen aus Einrohrversuchen verglichen.


Ergebnisse und Diskussion

Der Vergleich der Ergebnisse aus den Labormessungen an Glattrohren verschiedener Durchmesser mit Ergebnissen aus bekannten Gesetzmäßigkeiten für technisch glatte Rohre zeigt, daß der Versuchsaufbau mit der Meßanordnung zur Bestimmung von Druckverlust und Wärmeübergang bei Rauchrohren mit Einbauten bzw. künstlichen Rauhigkeiten eingesetzt werden kann.

Die Messungen an den Versuchsrohren zeigen, daß der Wärmeübergang bei den Rohren mit Turbulenzerzeugern gegenüber einem glatten Rohr bei gleichen Reynolds-Zahlen auf Kosten eines höheren Druckverlustes verbessert wird. In dem untersuchten Reynolds-Zahlen-Bereich 3740
Es wurde die Leistungscharakteristik St 3 / lR als Bewertungskriterium ausgewählt, die eine Verbesserung des Wärmeüberganges unter Berücksichtigung der Druckverluste bewertet. Danach weisen die untersuchten Rauchrohrtypen in den verschiedenen Bereichen der Reynolds-Zahl unterschied-liche Leistungen auf. Im Reynolds-Zahlen-Bereich Re < 6000 zeigt das Rohr mit Innendurchmesser di2 = 53,9 mm mit dem Turbulatortyp H=148 optimale Leistungscharakteristik. Mit diesem Turbulatortyp und Rohrdurchmesser ist auch der 2,5 MW Versuchsrauchrohrkessel ausgestattet worden. Bei einem Vergleich der Dellrohrtypen b/t=100/13 mit b/t=80/13 (di1) und b/t=62/10 mit b/t=62/10 (di2) sind nur geringe Unterschiede zwischen den jeweiligen Leistungen festzustellen. Demnach ist eine weitere Kürzung der Dellenabstände b wenig sinnvoll. Eine weitere Steigerung der Dellentiefe t ist auch ungeeignet, weil die Leistungscharakteristik des Dellrohres mit b/t=100/18 unter der Leistungscharakteristik des Dellrohres mit b/t=100/13 liegt.

Basierend auf den Versuchsergebnissen werden Modellrechnungen durchgeführt. Es werden Modellgleichungen ermittelt, mit deren Hilfe in dem untersuchten Reynolds-Zahlen-Bereich die Wärmeübertragungs- und Strömungsvorgänge bei anderen Rohrinnendurchmessern und Rohrgeometrien voraus-berechnet werden können. Die Meßergebnisse werden mit den Ergebnissen des mathematischen Modells verglichen. Danach beträgt bei Rohren mit Turbulatoren die mittlere Abweichung für die Rohrreibungszahlen l 5,26% und für die Nusselt-Zahlen Nu 1,99%. Bei Dellrohren sind diese Abweichungen entsprechend für l 3,86% und für die Nusselt-Zahlen Nu 5,3%.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Der Inhalt der Arbeit wird zu einem späteren Zeitpunkt veröffentlicht. Die Ergebnisse werden den beiden Kooperationspartnern zur Verfügung gestellt.


Fazit

Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, daß der Wärmeübergang der Rauchgasströmung in Glattrohren durch Turbulenzeinbauten und Dellen merklich intensiviert werden kann. Es werden Modellgleichungen ermittelt, mit deren Hilfe in dem untersuchten Reynolds-Zahlen-Bereich die Wärmeübertragungs- und die Strömungsvorgänge bei anderen Rohrinnendurchmessern und Rohrgeometrien vorausberechnet werden können. Bei Gleichbehalten des Gesamtkesselvolumens kann der Flammenraum vergrößert werden, was zur Minderung des NOx-Anteils führt. Die Kesselabgastemperatur kann deutlich abgesenkt werden, woraus Brennstoffeinsparung und CO2-Minderung erreicht werden.