bachelorarbeit

Bachelorarbeit

Erstellung eines Feuerraummoduls in IPSEproausgefhrt zum Zwecke der Erlangung des akademischen Grades eines u Bachelor of Science unter der Leitung von

Univ.Ass. Dipl.-Ing. Armin STEINER Ao. Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Andreas WERNERE 302 - Institut fr Thermodynamik und Energiewandlung u

eingereicht an der Technischen Universitt Wien a Fakultt fr Maschinenwesen und Betriebswissenschaften a u

von Hui ZHANG e0625472 Neurissener Anger 6 1220 Wien

Wien, am 22. September 2011

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis1. Einleitung 2. Theoretische Grundlagen 2.1. Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . 2.2. Gasfrmige Brennstoe . . . . . . . . o 2.3. Kesselbauart . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1. Kesselaufbau . . . . . . . . . 2.3.2. Turmkessel . . . . . . . . . . 2.3.3. Zweizugkessel . . . . . . . . . 2.4. Flammraum/Strahlraum-Modell . . . 2.4.1. Theoretischer Hintergrund der 4 6 6 6 7 7 8 8 9 10 11 11 11 12 13 14 14 15 15 15 16 17 18 19 23 23 23 24 25 28 28 28 29 31 31 32 33

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3. Allgemeines zur Modulentwicklung 3.1. Tabellenkalkulationsprogramme . . . . . . 3.2. Das Prozesssimulationsprogramm IPSEpro 3.3. Ausgangsmodul . . . . . . . . . . . . . . . 3.4. Hierarchie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5. Bl combustor/Flammraum . . . . . . . . . 3.6. Bl combustor Str/Strahlraum . . . . . . . 3.7. Benutzeranleitung . . . . . . . . . . . . . . 3.7.1. Variablen . . . . . . . . . . . . . . 3.7.2. Tabelle . . . . . . . . . . . . . . . .

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4. Flammraum 4.1. Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Demonstrationsbeispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3. Berechnungsalgorithmus des Flammraummoduls . . . . . . . . . . . . . . . 5. Strahlraum 5.1. Bl combustor Str . . . . . . . . 5.1.1. Variablen . . . . . . . . 5.1.2. Demonstrationsbeispiel . 5.1.3. Berechnungsalgorithmus 5.2. Bl combustor Str tower . . . . . 5.2.1. Variablen . . . . . . . . 5.2.2. Demonstrationsbeispiel . 5.2.3. Berechnungsalgorithmus 5.3. Bl combustor Str ue . . . . . . 5.3.1. Variablen . . . . . . . . 5.3.2. Demonstrationsbeispiel . 5.3.3. Berechnungsalgorithmus

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6. Validierung 35 6.1. Angabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 6.2. Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

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Abbildungsverzeichnis 7. Zusammenfassung und Ausblick A. IPSEpro Dokumentation 38 38

Abbildungsverzeichnis1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. Grobes Schema des Flammraum/Strahlraum Modells . . . Kesselbauarten STRAUSS [3] . . . . . . . . . . . . . . . . Bilanzmodell des Flammraum/Strahlraum Modells nach [1] Adiabate Feuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Modul Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bl combustor Eingabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bl combustor Resultat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flamm- und Strahlraum Modell nach [1] . . . . . . . . . . Emissionsverhltnis fr einen Gasbrennsto . . . . . . . . a u Bl combustor Str Eingabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bl combustor Str Resultat . . . . . . . . . . . . . . . . . . Emissionsgrad CO2 VDI [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . Emissionsgrad H2O VDI [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . Bl combustor Str tower Eingabe . . . . . . . . . . . . . . . Bl combustor Str tower Resultat . . . . . . . . . . . . . . . Einstrahlzahl nach Quelle [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . Bl combustor Str ue Eingabe . . . . . . . . . . . . . . . . Bl combustor Str ue Resultat . . . . . . . . . . . . . . . . Formfaktoren fr den Strahlungsaustausch nach [1] . . . . u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 7 9 12 13 18 19 20 21 24 24 25 25 28 29 30 32 32 33

Tabellenverzeichnis1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. dynamische Viskositt fr Wasser nach Quelle [2] . . . a u Parameter des Flammraums . . . . . . . . . . . . . . . Emissionsgrad fr Oberchen und Flammen . . . . . . u a Parameter des Bl combustor Str . . . . . . . . . . . . . Werte der Koezienten . . . . . . . . . . . . . . . . . . Parameter des Bl combustor Str ue . . . . . . . . . . Brennstozusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . Vergleichwerte fr den Flammraum . . . . . . . . . . . u Vergleich der Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . Vergleichwerte fr den Strahlraum . . . . . . . . . . . . u Daten fr den Strahlraum aus der IPSEpro Simulation u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 17 22 23 26 31 35 36 36 37 37

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1. Einleitung

1. EinleitungIm Rahmen dieser Bachelorarbeit soll fr die Prozesssimulationssoftware IPSEpro ein Mou dul entwickelt werden, das einen Feuerraum mit gekhlten Wnden beschreibt. Fr die u a u Modellierung dieser Problematik soll das sogenannte Flammraum/Strahlraum-Modell implementiert werden. Diese Bachelorarbeit beschrnkt sich beim Brennstoeinsatz auf a gasfrmigen Brennsto. o Das Flammraum/Strahlraummodell, siehe Abb.1, soll mittels 2 Modulen realisiert werden.

Abbildung 1: Grobes Schema des Flammraum/Strahlraum Modells

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1. Einleitung Diese Module sollen folgende Erfordernisse erfllen: u

Modul fr Flammraum u Berechnung der Parameter fr das aus dem Flammraum austretende Rauchgas nach u einer nicht adiabaten Feuerung Berechnung der gesamten in den Strahlraum ubertragenen Strahlungsenergie Berechnung des an die Wand ubertragenen Wrmestromes a

Berechnung der Austrittsparameter des in den Flossenwanden ieenden Wasser/Dampfstromes

Modul fr Strahlraum u Berechnung der Parameter des aus dem Strahlraum austretenden Rauchgases Berechnung der von dem Strahlraum abgegebenen Strahlungsenergie Berechnung des an die Wand ubertragenen Wrmestromes a Berechnung der Austrittsparameter des in Flossenwanden ieenden Wasser/Dampfstromes

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2. Theoretische Grundlagen

2. Theoretische Grundlagen2.1. VerbrennungNach EPPLE [1] versteht man unter der Verbrennung die Oxidationsreaktion zwischen dem brennbaren Bestandteil des Brennstoes und Sauersto, bei der Wrme freigesetzt a wird. Die dadurch entbundene Wrme wird an die Verbrennungsprodukte, wie z.B. Vera brennungsgase, Asche, Schlacke usw., an die Begrenzungswnde des Feuerraumes bzw. an a das zu erwrmende Gut ubertragen. a

2.2. Gasfrmige Brennstoe oLaut EFFENBERG [4] werden gasfrmige Brennstoe nach DIN 1340 in die folgende o Gruppen unterteilt: Naturgase Erdgas Biogas Industriegase Entgasungsgase wie Schwelgas, Stadtgas, Koksofengas Vergasungsgase wie Luftgas, Generatorgas, Wassergas Rckstandsgase wie Gichtgas, Hydriergas u Fr die Verbrennung in Dampferzeugern kommen vor allem die Naturgase zum Einsatz. u Nach DIN 51850 wird der Brennwert gasfrmiger Brennstoe beim Normzustand, also o 25 C und 1,013 bar, mit einem Junkers-Kalorimeter bestimmt. Der untere Heizwert, welcher in Europa ublich verwendet wird, berechnet sich aus dem Brennwert unter Bercksichtigung des Wassergehaltes. u

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2.3. Kesselbauart2.3.1. Kesselaufbau Nach STRAUSS [3] hat ein Dampferzeuger die Aufgaben, die in der Feuerung in Wrme a freigesetzte chemische Energie des Brennstoes in Enthalpie eines Hochdruckdampfes umzuwandeln. In der Abbildung 2 werden die heutzutage hug verwendeten Hochtemperatur - und a Hochdruck - Dampferzeuger dargestellt. Sie bestehen aus Economizer, Verdampfer, Luftvorwrmer a Uberhitzer, Zwischenberhitzer, usw. u

Abbildung 2: Kesselbauarten STRAUSS [3] Groe Dampferzeuger fr Kraftwerkanlagen werden hug als Turm- und Zweizugkessel u a ausgefhrt. Diese beiden unterschiedlichen Bauweise unterscheiden sich grundstzlich in u a der Anordnung der konvektiven Heizchen. a Die Wahl der Bauart richtet sich, wie in STRAUSS [3] angegeben, nach den folgenden Kriterien: Brennstoeigenschaften Aschegehalt, Aschezusammensetzung und die damit verbundene Erosionsgefahr

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2. Theoretische Grundlagen 2.3.2. Turmkessel Der Turmkessel, siehe Abbildung 2.a, dessen Baumerkmale immer dem neuesten Stand der Technik angepasst werden, kann fr alle fossilen Brennstoe, Feuerungsarten und u Verdampfungsverfahren eingesetzt werden. Er hat sich insbesondere in Europa seit Jahrzehnten bewhrt. a Vorteile ungehinderte Dehnung des Dampferzeugers nach unten einfache Konstruktion bessere Anlagenverfgbarkeit (0.2 - 0.8 %) u Nachteile Bauhhe o Probleme bezglich des Landschaftbildes u Probleme in erdbebengefhrdeten Gebieten a

2.3.3. Zweizugkessel Der Zweizugkessel, siehe Abbildung 2.b-c, der sich durch ein kompaktes Design kennzeichnet, stellt weltweit das dominierende Dampferzeugerkonzept fr die Verbrennung von u Steinkohle dar, da dieser fr alle Verdampfungsverfahren konzeptiert und als Durchlaufu Dampferzeuger fr alle unter- und uberkritischen Drcke ausgelegt werden kann. u u Vorteile Anpassungsfhigkeit an den Temperaturverhltnissen der Rauchgase a a niedrigere Bauhhe o geringere Herstellkosten schnellere Montage Nachteile Verschweiung von Wandteilen mit unterschiedlichen Temperaturen Gefahr von Schden wegen der Spannungsverhltnisse a a

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2.4. Flammraum/Strahlraum-ModellBei dem Flammraum/Strahlraum-Modell nach EPPLE [1] kann die Brennkammer, wie in Abbildung 3 dargestellt, in zwei Bereiche, - den Flammraum und den Strahlraum unterteilt werden. Es wird vorausgesetzt, dass kein Wrmetransport aufgrund einer Rcka u strahlung vom Strahlraum in den Flammraum stattndet, was zu einer Entkopplung der Berechnung beider Zonen fhrt. u

Abbildung 3: Bilanzmodell des Flammraum/Strahlraum Modells nach [1] Im Flammraum wird ein Teil der durch Verbrennung freigesetzten Reaktionsenthalpie durch Wrmebergang an die Wand abgegeben, und erwrmt das in den Flosswand iea u a enden Wasser/Dampfgemisch. Gleichzeitig wird der andere Teil in Form von Strahlung und der im Rauchgas gebildeten Enthalpie an den Strahlraum abgegeben. Im Gegensatz zum Flammraum, wo ein Wrmebergang durch Flammeinstrahlung vora u herrscht, wird im Strahlraum mit reiner Gasstrahlung gerechnet.

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2. Theoretische Grundlagen 2.4.1. Theoretischer Hintergrund der Wrmebertragung a u Die Wrmebertragung von der Flamme und dem Rauchgas an die Heizchen des Kesa u a sels erfolgt nach verschiedenen Gesetzen. Nach HERTEL [5] unterscheidet man zwischen folgenden Erscheinungen: die Strahlung der leuchtenden Flamme die selektive Strahlung des nichtleuchtenden Rauchgases1

der Wrmebergang durch Berhrung der Heizche durch das Rauchgas a u u a

1

Whrend die leuchtende Flamme wie schwarzer Krper in allen Wellenlnge des Spektrums strahlt, a o a strahlt die Gasstrahlung, die auf einige Bestandteile des Rauchgases, nmlich CO2 undH2 O, bea schrnkt ist, nur in gewissen ausgezeichneten Wellenlnge. a a

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3. Allgemeines zur Modulentwicklung

3. Allgemeines zur Modulentwicklung3.1. TabellenkalkulationsprogrammeIn der Fachliteratur werden hug Tabellenkalkulationsprogramme verwendet, um die a Verbrennungsrechnungen im Feuerraum durchzufhren. u Da es normalerweise nur fr eine einzige Aufgabenstellung ausgelegt wird, sind die dadurch u entstehenden Lsungen unexibel, und Anderungen bzw. Variationen sind nur schwer o mglich. In den meisten Fllen bedeutet eine Anderung im Design oft den komplett neuo a en Aufbau der Berechnungsroutinen. Um dieses Problem zu uberwinden, werden spezielle Programmpakete, wie z.B. AspenPlus, GateCycle, Ebsilon, IPSEpro usw. entwickelt, um Prozesse zu simulieren und dadurch rascher auf Anderungen zu reagieren.

3.2. Das Prozesssimulationsprogramm IPSEproIn diesem Fall wird die Software IPSEpro ausgewhlt, die von der Firma SimTech als Softa ware - Tool zur Prozessimulation entwickelt wird. Im Unterschied zu anderen ProzesssimulationsTools ist IPSEpro eine gleichungsorientierte Simulations-Software. Das bedeutet vereinfacht, dass der Gleichungslser dieser Software gleichungsorientiert ist und stationre o a Gleichgewichtslsungen liefert. o Gegenber eines sequentiell modularen Tools hat das Simulationsprogramm nach PFEFu FER [9] folgende Vor- und Nachteile bezglich der Modellentwicklung und Handhabung. u

Vorteile die einfache Handhabung stark verzweigter Flowsheets die willkrliche Austauschbarkeit von Eingangs- und Ausgangsinformationen u die kurze Rechenzeit

Nachteile die unbersichtliche Uberprfbarkeit des Lsungsvorganges u u o Auf Grund der exiblen Struktur und der groen Erweiterungsmglichkeiten ndet diese o Software in zahlreichen Bereichen Anwendung.

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3.3. AusgangsmodulAls Basis wird das von Institut f r Thermodynamik und Energietechnik uberu arbeitete IPSEpro Modul Bl combustor verwendet.

combustor in der Standard Bibliothek: Mit dem zur Verfgung gestellten Basis-Modul u fr den Feuerraum ist es mglich, ausgehend von gewnschten Prozesssparametern und u o u bekannten Eingangsgren, die Verbrennungsrechnung in einer adiabaten Brennkammer, o wie in Abbildung 4 dargestellt, durchzufhren. u

Abbildung 4: Adiabate Feuerung Diese Verbrennungsrechnung umfasst die Aufstellung stationrer Sto- und Energiebilana zen, die die Bestimmung der Rauchgaszusammensetzung sowie der Verbrennungstemperatur ermglichen. o

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3.4. HierarchieIm Zuge dieser Arbeit soll eine nicht adiabate Brennkammer mit dem Flammraum/StrahlraumModell, siehe Kapitel 2.4, abgebildet werden. Die in der Entwicklung bendliche Modellbibliothek fr IPSEpro mit dem Namen Boiu lerLib.mdk hat den in in Abbildung 5 ersichtlichen Aufbau.

Abbildung 5: Modul Aufbau Bl combustor wurde fr das Flammraummodell adaptiert. u Bl combustor Str dient als Strahlraummodell. Beide Bezeichnungen sind vorluge Benennungen. a

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3.5. Bl combustor/FlammraumMit Hilfe dieses Moduls kann man nicht nur den Heizwert des in den Flammraum zugefhrten Brennstoes berechnen, sondern auch die Rauchgasaustrittstemperatur, die u an den Strahlraum abgegebene Strahlungsenergie bzw. den an die Wand ubertragenen Wrmestrom ermitteln. a

3.6. Bl combustor Str/StrahlraumHier werden die komplexen Wechselwirkungen, wie z.B. Emission, Absorption, Streuung und Reexion, usw., innerhalb des Rauchgases und zwischen diesem und der Strahlraumwand so weit vereinfacht, dass nach Eingabe der Einstrahlzahl und der Hauptgeometrie des Strahlraumes die Temperatur des aus dem Strahlraum austretenden Rauchgases und der an die Wand abgegebenen Wrmestrom ermittelt werden knnen. a o Um eine ubersichtliche Bedienung des Moduls zu gewhrleisten, gibt es folgende Aufa teilung: Bl combustor Str Bl combustor Str tower (single-pass boiler) Bl combustor Str ue (two-pass boiler) Diese drei Modelle unterscheiden sich durch die Ermittlungsmethode der Einstrahlzahl, welche von der Lage und der Orientierung zwischen den Strahlenden, endlichen Flchen a abhngt. a

Bl combustor Str Im Unterschied zu den spter besprochenen Modellen, - Bl combustor Str tower a und Bl combustor Str ue, deren Einstrahlzahl auf Grund des geometrischen Verhltnisa ses des Strahlraumes berechnet wird, kann hier alle Einstrahlzahl eingegeben werden. Dies ist sinnvoll, wenn eine komplexe Geometrie vorliegt und die Einstrahlzahl geschtzt a werden muss, oder die Einstrahlzahl bekommt ist.

Bl combustor Str tower Es wird die Einstrahlzahl fr einen Turmkessel ermittelt. Als u Modellvorstellung dient die Ermittlung der Einstrahlzahl zwischen zwei identen Rechteckchen, die parallel gegenber liegen. a u

Bl combustor Str ue Es wird die Einstrahlzahl fr einen Zweizugkessel ermittelt. Als u Modellvorstellung dient die Ermittlung der Einstrahlzahl zwischen zwei Rechteckchen, a die in allgemeiner Lage senkrecht zueinander liegen.

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3.7. BenutzeranleitungUm das vorgestellte Programm verwenden zu knnen, muss zuerst die IPSEpro Process o Simulation Environment, kurz PSE gestartet und die Model Library Boiler Lib.iml geladen werden. Um mit den eingestellten Abhngigkeiten der Werte, die spter vorgestellt a a werden, arbeiten zu knnen, wird empfohlen das project - le boiler.pro zu verwenden. o Nun werden verschiedene Variablenarten vorgestellt, die unterschiedliche Eingabe erfordern. In den Tabellen 2, 4, und 6 werden sie mit s fr set und e fr estimate gekennzeichu u net.

3.7.1. Variablen Variablen sind Werte, bei den IPSEpro drei zustzliche Einstellungen zulsst: set, estimate a a und limit. Bei der Einstellung set wird die Variable als xer Wert im Programm behandelt. Bei der Einstellung estimate wird die Variable als Schtzwert bzw. Startwert angea nommen. Uber die Einstellung limit lsst sich ein Minimum- und ein Maximumwert einstellen. a Sie dienen dazu, physikalisch realistische Wertbereiche zu begrenzen.

3.7.2. Tabelle IPSEpro bietet dem Anwender 2 Arten von Eingabetabellen zur Verfgung: u 2D - Tabellen 3D - Tabellen In diesem Fall wird eine 3D - Tabelle (siehe Tabelle 1) eingesetzt, um die dynamische Viskositt in Abhngigkeit von Druck und Temperatur angeben zu knnen. Diese Tabelle a a o ist derzeit fr Wasser angegeben. Auerdem ist es mglich, die Werte nach dem Bedarf u o linear oder kubisch zu interpolieren.

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4. Flammraum

4. FlammraumGrundstzlich lst das Basis-Modul fr den Flammraum ein Gleichungssystem bestehend a o u aus Massen-, Druck- und Energiebilanz unter der Voraussetzung, dass es um adiabate Feuerung handelt. Als Erweiterung werden nicht nur die Strahlungsphnome, die im a Flammraum eine Rolle spielen, sondern auch die an die Wand ubertragenen Wrmestrme a o bercksichtigt. u Dieses Modell liefert primr die Parameter des Rauchgases und die freigesetzte Strahlungsa energie in Folge einer nicht adiabaten Feuerung. Bei den Stoparametern der Mediumseingnge werden der Druck [bar], die Temperatur [ C] und der Massenstrom [kg/s] eingea geben. Neben der Eingabe der Parameter der Stostrme (Brennsto, Luft, Rezikulationso Rauchgas, Dampf) muss man die Hauptgeometrie des Flammraums eingeben, damit das Gleichungssystem von IPSEpro gelst werden kann. Zustzlich knnen mit den Feldern o a o delta p und delta p comb die Druckdierenz des Rauchgases uber den Flammraum an gegeben werden bzw. wird die Druckdierenz zwischen Brennstoeingang und Rauchgas ermittelt.

bar/ C 1 5 10 20 30 40 50 80 90 150 200

0 1792 1791 1790 1788 1785 1783 1780 1773 1771 1758 1747

25 890.4 890.4 890.2 890 889.8 889.6 889.4 888.7 888.6 887.5 886.8

75 377.9 378 378.1 378.4 378.7 378.9 379.2 380 380.2 381.8 383.1

100 12.27 282 282.1 282.4 282.7 282.9 283.2 284 284.3 285.9 287.2

Tabelle 1: dynamische Viskositt fr Wasser nach Quelle [2] a u

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4. Flammraum

4.1. VariablenIn der Tabelle 2 sind die Parameter aufgelistet, die fr die Berechnung2 , abgesehen von u den Stowerten, notwendig sind. Name delta p delta p comb depth FlR height FlR width FlR d Pipe n Pipes epsilon wall f dyn visc Water dyn visc WF QW T Wall T ad heat value dhf std dhfc std dhfr std dhd std lambda area O FlR area out FlR Volumen FlR S gl epsilon Fla epsilon FlR Re Beschreibung Druckverlust des Rauchgases uber den Flammraum Druckverlust der Brennstoe Tiefe des Flammraums Hhe des Flammraums o Breite des Flammraums Durchmesser eines Rohres Anzahl der Rohre Emissionsgrad der Wand Funktion fr die dynamische Viskositt u a die dynamische Viskositt a der an die Wand abgegebene Wrmestrom a Wandtemperatur adiabate Feuerungstemperatur Heizwert Enthalpiedierenz Luft von Normzustand Enthalpiedierenz der Brennstoe vom NZ3 Enthalpiedierenz der Rezirkulationsluft vom NZ Enthalpiedierenz des Rauchgases vom NZ Luftzahl Mantelche des Flammraums a Austrittsche des Flammraums a Volumen des Flammraums Schichtdicke Emissionsgrad des Flamme Emissionsgrad des Flammraums Reynoldszahl Tabelle 2: Parameter des Flammraums Art s s s s s s s s s 6 10 Pas e kW e C e C e kJ/kg e kJ/kg e kJ/kg e kJ/kg e kJ/kg e kg/kg e 2 m e 2 m e m3 e e e e e Einheit bar bar m m m m -

2 3

Nhere Information in Kapitel 4.3. a Normzustand

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4. Flammraum

4.2. DemonstrationsbeispielDie Eingabemaske von IPSEpro im PSE-Modus ist in Abbildung 6 ersichtlich.

Abbildung 6: Bl combustor Eingabe

Die Anschlsse des Moduls sind in Abbildung 7 ersichtlich, hier ist auch exemplarisch u eine Lsung dargestellt. o Zu beachten ist, dass das Programm nur dann erfolgreich ausgefhrt wird, wenn ausu reichend viele Werte fr die Berechnung vorgegeben werden, da eine Uberbestimmung u des Systems oder eine ungengende Anzahl an Freiheitsgraden bei der Berechnung ein u Lsen des Gleichungssystems unmglich macht. o o

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4. Flammraum

Abbildung 7: Bl combustor Resultat

4.3. Berechnungsalgorithmus des FlammraummodulsNach STRAUSS [3] gilt fr den stationren Prozess auf Grund des 1. Hauptsatz der u a Thermodynamik die Energiebilanzgleichung (1). Auerdem folgt fr die Verbrennungsu produkte, siehe Gleichungen (2) - (5).

mB (H + cpB (B 0 )) + mL cpL (L 0 ) = QAb + mRG cpRG (RG 0 ) + mA cpA (A 0 )

(1)

CO2 = C H 2 O N2 SO2

MCO2 MC MH2 O = H MH2 = N + (1 xO2 ) LoT MSO2 = S MS

(2) (3) (4) (5)

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4. Flammraum

Abbildung 8: Flamm- und Strahlraum Modell nach [1] Im Flammraum erfolgt nach EPPLE [1] der primre Wrmeaustausch mit der Wand a a durch Flammenstrahlung. Da die im Strahlungsaustausch stehenden Flchen als graue a Strahler angenommen werden knnen, wird die Wrmebertragung von der Flamme an o a u die Brennkammerwand durch Strahlung grundstzlich nach dem Gesetz von Stefan und a 4 Boltzmann, siehe Gleichungen (6) - (7) , berechnet.

QStr = mAb (hF lR,ein hF lR,aus ) QStr =F lR,m

(6) TF lR,aus 4 TW a,F lR 4 ) ( )] 100 100 (7)

fSch CStr (AO,F lR + AF lR,aus ) [(

das sich lautet Quelle [1] mit der Gleichung (8) berechnet wird, ist von der Geometrie, den Emissionsgraden F la und W a abhngig ist. a

F lR,m ,

F lR,m

=

11F la,gew

+

AO,F la AO,F lR +AF lR,aus

(

1Wa

1)

(8)

4

Die hier verwendeten Bezeichnungen richten sich nach der Abbildung 8, die aus dem EPPLE [1] stammt.

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4. Flammraum Das Emissionsverhltnis der Flamme a

F la

Da der Strahlungsaustausch zwischen dius strahlender Wand und Gas von der geometrischen Gestalt des Raumes abhngig ist, berechnet die gleichwertige Schichtdicke nach a EFFENBERGER [4] Sgl mit der Gleichung (9): Sgl = 3, 4 VF lR AO,F lR + AF lR,aus (9)

Fr Gasfeuerungen kann das Emissionsverhltnis der Flamme u a folgender Beziehung (10) verwendet werden.

F la

laut EPPLE [1] nach

F la

= 0, 22 + (0, 06667 0, 003332 Sgl ) Sgl

(10)

In der Abbildung 9 wird das Emissionsverhltnis der Flamme fr einen Gasbrennsto in a u Abhngigkeit von der Schichtdicke nach Gleichung (10) dargestellt. a

Abbildung 9: Emissionsverhltnis fr einen Gasbrennsto a u

Der Emissionsgrad der Wand

Wa

wird bestimmt durch

die mit Rohren belegte Wandche AR und den zugehrigen Emissionsgrad der a o Rohre R die unberohrte Wandche Au und Emissionsgrad der Flosse au

die Brennkammeraustrittsche AF lR,aus und Emissionsgrad der Austrittsche a a

F lR,aus

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4. Flammraum In der Tabelle 3 sind Emissionsgrade fr die Wand ( u Quelle [4] zusammengestellt. Technische Oberchen a Stahl oxidiert austenitischer Stahl Gueisen oxidiert Schamotte Schlacke Emissionsgrad 0,8 ... 0,95 0,85 ... 0,95 0,6 ... 0,7 0,45 ... 0,6 0,7 ... 0,8W a)

und die Flamme (

F la )

nach

Flammen Steinkohle, Braunkohle, Holz Heizl o Erdgas Gichtgas

0,55 ... 0,8 0,45 ... 0,85 0,4 ... 0,6 0,35 ... 0,55

Tabelle 3: Emissionsgrad fr Oberchen und Flammen u a Der an die Rohrwand des Flammraums abgefhrte Wrmestrom QW a,F lR und der vom u a Flammraum in den Strahlraum abgegebene Wrmestrom QF lR,aus lassen sich nach Quelle a [1] durch folgende Beziehungen (11) und (12) angeben: QW a,F lR = mAb (hF lR,ein hF lR,aus ) QStr,F lR AO,F lR AO,F lR+AF lR,aus = mAb (hF lR,ein hF lR,aus ) QW a,F lR (11) (12)

22

5. Strahlraum

5. Strahlraum5.1. Bl combustor StrBl Combustor Str stellt das Basis - Model fr dieses Modul dar. u Es wird eingesetzt, um die Strahlraumberechnung durchzufhren, wenn man die Einu strahlzahl 12 kennt oder schtzen muss/mchte. a o

5.1.1. Variablen In der Tabelle 4 sind verschiedene Variablen aufgelistet, die fr die Berechnung, abgesehen u von den Stowerten, relevant sind. Name depth StR height StR width StR d Pipe n Pipes psi phi epsilon wa f dyn visc Water dyn visc WF Q ges StR Q Wa StR T Wa Tg area O StR area out StR Volumen StR S gl StR alpha abs alpha Str epsilon ab Re p CO2 p H2O Beschreibung Tiefe des Strahlraums Hhe des Strahlraums o Breite des Strahlraums Durchmesser eines Rohres Anzahl der Rohre siehe Gleichung (18) Einstrahlzahl Emissionsgrad der Wand Funktion fr die dynamische Viskositt u a die dynamische Viskositt a der gesamte abgefhrte Wrmestrom u a der an die Wand abgegebene Wrmestrom a Wandtemperatur Rauchgastemperatur Mantelche des Strahlraums a Austrittsche des Strahlraums a Volumen des Strahlraums Schichtdicke Absorptionsgrad Wrmebergangskoezient fr die Strahlung a u u Emissionsgrad Reynoldszahl Partialdruck des CO2 Partialdruck des H2O Tabelle 4: Parameter des Bl combustor Str Einheit m m m m Art s s s s s s s s s 6 10 Pas e kW e kW e C e C e 2 m e m2 e 3 m e e e e e e bar e bar e

23

5. Strahlraum 5.1.2. Demonstrationsbeispiel Die Einstellungsmglichkeiten fr den Anwender sind in Abbildung 10 ersichtlich und o u benden sich im oberen Bereich des Scrollfensters. Die ubrigen Werte sind Stowerte, die im ersten Schritt der Modellbeschreibung noch uber Tabellen (Tables) eingegeben werden, oder Variablen, die das Programm fr die Berechnung der Lsung bentigt wird. u o o

Abbildung 10: Bl combustor Str Eingabe

Abbildung 11: Bl combustor Str Resultat

24

5. Strahlraum 5.1.3. Berechnungsalgorithmus Gasstrahlung Im Strahlraum erfolgt der Wrmeaustausch primre durch die Gasstraha a lung. Die Rauchgasbestandteile, wie z.B. H2 O, CO2 , CO und SO2 , sind wirksame Strahler, die innerhalb enger Wellenbereiche Wrme emittiert und gleichzeitig einfallende Wrmea a strahlung absorbiert. Da H2 O und CO2 in hherer Konzentration bei dem Rauchgas vorkommen, liefern sie o fr die Wrmebertragung in Form von der Gasstrahlung einen bedeutsamen Beitrag. u a u Bei einem Gesamtdruck von 1 bar, lautet Quelle [2], sind die Emissionsgrade von H2 O und CO2 in Abbildungen 12 und 13 in Abhngigkeit von der Temperatur und dem Produkt a pG Sgl dargestellt. 5

Abbildung 12: Emissionsgrad CO2 VDI [2] Abbildung 13: Emissionsgrad H2O VDI [2] Fr eine Mischung aus CO2 und H2 O und nichtstrahlenden Bestandteilen ergeben sich u der Emissions- und Absorptionsgrad nach Hottel und Egbert aus den Gleichungen (13) und (14):g

v

= H2 O + CO2 ( )g = H2 O + CO2 ( )w

(13) (14)

5

Die Abbildungen stammt von der Quelle [2].

25

5. Strahlraum Unter den folgenden Voraussetzungen: bei 1 bar Gesamtdruck fr pH2 O /pCO2 = 1, 1 u 100K < Tg < 1800K 0, 2m < Sgl < 6m gilt die Gleichung (15) fr ein Gemisch aus H2 O und CO2 , wobei ai sich aus der Gleichung u (16) ermitteln lsst. a

H2 O+CO2

=

ai [1 exp(ki (pH2 O + pCO2 ) Sgl )] Tg ) 1000K

(15) (16)

ai = b1i + b2i (

Die Werte der Koezienten sind aus der folgenden Tabelle 5 zu entnehmen. i 1 2 3 b1i 0,130 0,595 0,275 b2i 0,265 -0,15 -0,115 ki[1/mbar] 0 0,824 25,91

Tabelle 5: Werte der Koezienten

Nach Quelle [2] lassen sich die entsprechenden Absorptionsgrade so berechnen, dass die Temperatur der emittierenden Wand Tw statt der Gastemperatur Tg eingesetzt wird.

Rauchgasaustrittstemperatur Um die Strahlraumaustrittstemperatur StR,aus ermitteln zu knnen, benutzt man die Energiebilanz des Strahlraumes. o Der durch Gasstrahlung abgefhrte Wrmestrom QStr wird mittels eines Wrmeberu a a u 6 gangskoezient Str in den Gleichungen (17) - (18) deniert:

F lR,aus + StR,aus W a,StR ) Qges,StR = StR AO,StR ( 2 T a,StR 2 W a CStr [ Ab ( TAb )4 abs,Ab ( W100 )4 ] 100 Str = 1 + Wa TAb TW a,StR

(17) (18)

wobei TAb die mittlere isotherme Rauchgastemperatur fr den Strahlraum ist, siehe Gleiu chung (19). TAb = 273, 15 +6

F lR,aus + StR,aus 2

(19)

Die Benennung der Variablen richtet sich nach der Abbildung 8 aus der Quelle [1].

26

5. Strahlraum Dieser Wrmestrom setzt sich aus dem Anteil der gesamten im Strahlraum freigesetzten a Strahlungswrme des Gases QStr,StR und der von der Flamme direkt eingestrahlten Wrme a a QW a,StR zusammen, siehe Gleichungen (20) - (21) 7 .

AStR,aus QStr,StR = mAb (hStR,ein hStR,aus ) AO,StR +(1 Ab ) 12 QStr,F lR

(20)

AStR,aus QW a,StR = mAb (hStR,ein hStR,aus ) (1 ) AO,StR +(1 Ab ) (1 12 ) QStr,F lR

(21)

7

Die Benennung der Variablen richtet sich nach der Abbildung 8 aus der Quelle [1].

27

5. Strahlraum

5.2. Bl combustor Str towerBei der Turmbauweise werden die Strahlungs- und Konvektionsheizchen direkt uber den a Brennkammer, siehe Abbildung 2.a,angeordnet. Dadurch strmt das bei der Verbrennung o entstehende Rauchgas ohne Umlenkung durch die Brennkammer. So wird bei kohlegefeuerten Anlagen, nicht nur die Bildung von aschereichen Rauchgasstrhnen, sondern auch a die damit verbundene Gefahr von lokal verstrkten Erosionen durch den Feststoanteil a des Rauchgases deutlich reduziert.

5.2.1. Variablen Die Variablen, die fr die Berechnung des Strahlraums nach der Turmbauweise sind ebenu falls in Tabelle 4 aufgelistet. Mit der Ausnahme, dass W a nicht eingegeben wird, sondern berechnet wird.

5.2.2. Demonstrationsbeispiel In Abbildung 14 wird gezeigt, wie man nach Eingabe der geometrischen Grundverhltnisse a des Strahlraumes und der Grundparameter, wie z.B. die Emissionsgrade der Wand, die gesuchten Werte, die in Abbildung 15 dargestellt, berechnen kann.

Abbildung 14: Bl combustor Str tower Eingabe

28

5. Strahlraum

Abbildung 15: Bl combustor Str tower Resultat 5.2.3. Berechnungsalgorithmus Das Grundkonzept des Berechnungsalgorithmus wird in Kapitel 5.1 ausfhrlich vorgeu stellt. Hier wird nur die Einstrahlzahl, welche beim Basis-Modell nur geschtzt wird, nach wisa senschaftlicher Methode berechnet. Nach Quelle [1] lsst sich die Einstrahlzahl 12 zwischen parallelen, gleich groen, gea genberliegenden Rechteckchen mittels der Gleichung (22) u a

12

2 (1 + a2 )(1 + b2 ) 2 = ln + ab 1 + a2 + b 2 b a + b 1 + a2 arctan + a 1 + b2 arctan 2 1 + b2 1+a a arctan a b arctan b

1

(22)

berechnen, wobei die Koezienten a und b, wie nach Quelle [1] in den Gleichungen (23) - (24) defniert werden. a = depth height width b = height (23) (24)

29

5. Strahlraum In Abbildung 16 wird die Einstrahlzahl 12 laut der Quelle [2] bei der Strahlung zwischen parallelen gleich groen, gegenberliegenden Rechteckchen in Abhngigkeit von a und u a a b dargestellt.

Abbildung 16: Einstrahlzahl nach Quelle [2]

30

5. Strahlraum

5.3. Bl combustor Str ueBei Zweizug-Dampferzeugern, siehe Abbildung 2.b, 2.c strmt das bei der Verbrennung o im Flammenraum entstehende Rauchgas durch die hngenden Schottheizchen oberhalb a a des Flammenraums und im Querzug. Die Wrmeaustauscherchen werden auf Grund der a a sich ergebenden greren Rauchgasgeschwindigkeiten optimal genutzt. o

5.3.1. Variablen In der Tabellen 6 werden die Variablen fr die Berechnung nach der Zweizug-Bauweise u aufgelistet. Name depth StR T1 T1 height StR H1 H2 width StR B1 B2 d Pipe n Pipes psi phi epsilon wa f dyn visc Water dyn visc WF Q ges StR Q Wa StR T Wa Tg area O StR area out StR Volumen StR S gl StR alpha abs alpha Str epsilon ab Re p CO2 p H2O Beschreibung Tiefe des Strahlraums Sieh Abbildung 19 Sieh Abbildung 19 Hhe des Strahlraums o Sieh Abbildung 19 Sieh Abbildung 19 Breite des Strahlraums Sieh Abbildung 19 Sieh Abbildung 19 Durchmesser eines Rohres Anzahl der Rohre siehe Gleichung (18) Einstrahlzahl Emissionsgrad der Wand Funktion fr die dynamische Viskositt u a die dynamische Viskositt a der gesamt abgefhrte Wrmestrom u a der an die Wand abgegebene Wrmestrom a die Wandtemperatur die Rauchgastemperatur Mantelche des Strahlraums a Austrittsche des Strahlraums a Volumen des Strahlraums Schichtdicke Absorptionsgrad Wrmebergangskoezient fr die Strahlung a u u Emissionsgrad Reynoldszahl Partialdruck des CO2 Partialdruck des H2O Art s s s s s s s s s s s s s e s 6 10 Pas e kW e kW e C e C e m2 e m2 e m3 e e e e e e bar e bar e Einheit m m m m m m m m m m -

Tabelle 6: Parameter des Bl combustor Str ue

31

5. Strahlraum 5.3.2. Demonstrationsbeispiel In Abbildung 17 wird gezeigt, wie man nach der Einstellung der erforderlichen Parameter die gewnschten Ergebnisse, die in Abbildung 18 dargestellt, bekommen kann. u

Abbildung 17: Bl combustor Str ue Eingabe

Abbildung 18: Bl combustor Str ue Resultat

32

5. Strahlraum 5.3.3. Berechnungsalgorithmus Wie schon erwhnt, steht in Kapitel 5.1 das Grundkonzept des Berechnungsalgorithmuses a fr den Strahlraum. u Die Einstrahlzahl fr den Zweizug-Kessel lsst sich, im Gegensatz zur Einstrahlzahl fr u a u den Turmkessel, nur durch komplexe Berechnungen ermitteln. Nach Quelle [1] errechnet sich die Einstrahlzahl 12 fr Flchenstreifen und dazu senkrecht u a stehende Rechteckche unter folgender Beziehungen (25) - (26) 8 : a

Abbildung 19: Formfaktoren fr den Strahlungsaustausch nach [1] u

12 =

c1 c2 c3 + c4 2(T2 T1 )(B B1 )

(25)

ci = ai T2 arctan(

T2 T1 T T2 T T1 ) T1 arctan( ) (T T2 ) arctan( ) + (T T1 ) arctan( ) ai ai ai ai 2 2 2 a2 (a2 + T1 )[a2 + (T T2 )2 ] b2 (H1 + b2 + B 2 )(H 2 + b2 + B1 ) i i i + i ln i i ln (26) 2 2 2 4 (a2 + T2 )[a2 + (T T1 )2 ] 4 (H1 + b2 + B1 )(H 2 + b2 + B 2 ) i i i i

wobei die Koezient ai und bi nach den folgenden Formeln (27) - (34), laut der Quelle [1], berechnet werden:

8

Die hier verwendeten Variablen richten sich nach der Abbildung 19, die aus dem Buch [1] stammt.

33

5. Strahlraum

a1 = a2 = a3 = a4 =

2 H1 + B 2 2 2 H1 + B1

(27) (28) (29) (30)

H 2 + B22 H 2 + B1

b1 b2 b3 = T b4 = T

= T1 = T2 T1 T2

(31) (32) (33) (34)

34

6. Validierung

6. ValidierungDie Plausiblitt der Berechnung mittels dieses Programms wird anhand des folgenden a Beispiels gezeigt. Es soll nach zwei Arten gelst werden: o mit konventionellen Mitteln mit IPSEpro Um den Umfang kompakt zu halten, werden nur Teile der Ergebnisse bei der Validierung gegenbergestellt. u

6.1. AngabeIn der Tabelle 7 wird die Brennstozusammensetzung dargestellt: Beschreibung xCH4 xC2H6 xC3H8 xCO2 xN2 Einheit kg/kg kg/kg kg/kg kg/kg kg/kg Gas 0,86 0,054 0,015 0,018 0,053

Tabelle 7: Brennstozusammensetzung

Frischdampfmenge mF D = 100kg/s Verdampfungsdruck pF D = 95bar Temperatur beim Eintritt in der Verdampfer F D = 307 C Umgebungstemperatur LU = 15 C Umgebungsdruck pu = 1.01325bar Brennstomassenstrom mF o = 1, 3707kg/s Luftmassenstrom mL = 24, 5829kg/s Breite bF lR = 3, 3m Tiefe tF lR = 5, 8m

35

6. Validierung Hhe hF lR = 4, 3m o Bodenabstand hBoden = 1, 6m Horizontaler Abstand averh or = 1, 1m

6.2. ErgebnisseZuerst werden die gesuchten Variablen fr den Flammraum in der Tabelle 8 aufgelistet. u Formeln HuF lR

WF lR 1 QF lR QWF lR QF,S

Beschreibung Heizwert des Brennstoes Emissivitt des Flammraumes a Wandtemperatur des Flammraumes Flammraumaustrittstemperatur Der im Flammraum abgegebene Wrmestrom a Der an die Flammraumwnde abgegebene Wrmestrom a a Der in den Strahlraum eingestrahlte Wrmestrom a Tabelle 8: Vergleichwerte fr den Flammraum u

Nun werden die die Ergebnisse, die von den zwei unterschiedlichen Methoden geliefert werden, in der Tabelle 9 gegenbergestellt. u Beschreibung Einheit Hu kJ/kg F lR WF lR C 1 C F lR Q MW W MW Q F lR QF,S MW IPSEpro 46402,6 0,368 357,1 1428 16,7 13,4 3,3 konvektionell 49500 0,500 368,1 1557,2 24,5 20,4 4,0

Tabelle 9: Vergleich der Ergebnisse

36

6. Validierung Dann sind die gewnschten Variablen fr den Strahlraum, der nach dem Turmkessel u u gebaut wird, in der Tabelle 10 dargestellt. Formeln m 2 WS tR pH2 O pCO2 gg

QW,StR

Beschreibung Gasmitteltemperatur des Strahlraums Die berechnete Rauchgasaustrittstemperatur Wandtemperatur im Strahlraum Partialdruck des H2O Partialdruck des CO2 Absorptionskoezient des Rauchgases Emissivitt des Rauchgases a Die im Strahlraum an die Wand abgegebene Wrme a Tabelle 10: Vergleichwerte fr den Strahlraum u

Am Schluss wird die Ergebnistabelle fr diesen Strahlraum eingefgt, siehe Tabelle 11. u u Beschreibung Einheit m C 2 C WStR C pH2 O bar pCO2 bar g g QWS tR MW IPSEpro 1318,8 1210 357,3 0,236 0,121 0,488 0,295 8,2 konvektionell 1403,6 1266,5 368,1 0,181 0,086 0,190 0,274 10,8

Tabelle 11: Daten fr den Strahlraum aus der IPSEpro Simulation u

37

7. Zusammenfassung und Ausblick

7. Zusammenfassung und AusblickZusammenfassend ist es gelungen, ausgehend von einem einfachen Standardmodell, dieses soweit zu verfeinern, dass ein Feuerraum mit gekhlten Wnden nach dem Flammraum/ u a Strahlraum-Modell, siehe Abbildung 8, mittels der Prozesssimulationssoftware IPSEpro simuliert wird. Dabei wurden die folgenden Ttigkeiten ausgefhrt. a u Erstellung eines Flammraummoduls Erstellung eines Strahlraummoduls Evaluierung mittels Vergleichsrechnung Bei der Validierung, siehe Kapitel 6, wird die Plausibilitt des Programmes besttigt, a a welches nach dem Berechnungsalgorithmus, siehe Kapitel 4.3, 5.3.3, 5.3.3 und 5.3.3, auf gebaut wurde. Die folgende Aufzhlung gibt einen Blick auf mgliche Verbesserungen: a o Einsatz fester und ssiger Brennstoe u Bercksichtigung von Zusatzbeheizung u Strahlungsverluste

A. IPSEpro Dokumentation

38

Bl_combustorPurpose The used fuel is biomass, coal and gas

Bl_combustorPurpose Model equationsdrain_rad

drain_water

drain

#======================================= # Equations for basis programm #======================================= #======================================= # Calculation for the air ratio #======================================= f1: feed.Composition.O2 * feed.mass * (lambda - 1.0) - lambda * drain.Composition.O2 * drain.mass = 0.0;feed_comb

feed

#======================================= # Pressure drops #======================================= f2: feed_comb.p - delta_p_comb = drain.p; f3: feed.p - delta_p = drain.p; #======================================= # Enthalpy drops #======================================= f4: feed_rez.h - dhfr_std - feed_rez.Composition.fhpt(1.0,25.0) = 0.0; f5: feed.h - dhf_std -feed.Composition.fhpt(1.0, 25.0) = 0.0; f6: feed_comb.h - dhfc_std - feed_comb.Composition.fhpt(1.0, 25.0) = 0.0; f7: drain.Composition.fhpt(drain.p,T_ad) - dhd_std drain.Composition.fhpt(1.0, 25.0) = 0.0; #======================================= # Energy balance #======================================= f8: (feed.Composition.fhf0()+feed.h) * feed.mass + (feed_comb.Composition.fhf0()+feed_comb.h) * feed_comb.mass + feed_rez.mass*(feed_rez.Composition.fhf0()+ feed_rez.h) = ((drain.Composition.fhf0() + drain.Composition.fhpt(drain.p,T_ad)) * drain.mass); f9: dhf_std * feed.mass + ( dhfc_std + heat_value ) * feed_comb.mass + dhfr_std*feed_rez.mass = dhd_std * drain.mass;

feed_water

feed_rez

Connections Bl_stream: feed Bl_stream: feed_comb Bl_stream: drain stream: feed_water stream: drain_water radiation: drain_rad Bl_stream: feed_rez

#======================================= # Equations ITE #======================================= #======================================= # 1. geometry #======================================= # lateral area f10: area_O_FlR = 2 * (width_FlR * height_FlR + depth_FlR * height_FlR); # exit surface f11: area_out_FlR = width_FlR * depth_FlR; # volume f12: V_FlR = width_FlR * depth_FlR * height_FlR; # layer thickness f13: S_gl = 3.4 * V_FlR / (area_O_FlR + area_out_FlR); #======================================= # 2. emissivity #======================================= # emissivity of the flame for furnace gas f14: epsilon_Fla = 0.22 + ( 0.06667 - 0.003332 * S_gl) * S_gl; # emissivity of the combustion chamber f15: epsilon_FlR = 1/(1/epsilon_Fla+(1/epsilon_wall-1)); #======================================= # Energy balance #======================================= f16: (drain.mass*1000.*(drain.Composition.fhpt(drain.p,T_ad) -drain.Composition.fhpt(drain.p,drain.t))/(epsilon_FlR*5.67*(area_O_FlR+ area_out_FlR)))+((T_Wall+273)/100)^4-((drain.t+273)/100)^4 =0; # heat flow to walls in the combustion chamber f17: Q_W = drain.mass * (drain.Composition.fhpt(drain.p,T_ad) -drain.Composition.fhpt(drain.p,drain.t))*area_O_FlR/(area_O_FlR+area_ out_FlR); #in kW # heat flow to the radiation chamber f18: drain_rad.heat = drain.mass * (drain.Composition.fhpt(drain.p,T_ad) -drain.Composition.fhpt(drain.p,drain.t)) - Q_W;

#======================================= # Equations describing the water system ITE #======================================= #======================================= # Property values #======================================= f19: dyn_visc_WF = f_dyn_visc_Water(drain_water.p,((drain_water.t feed_water.t)/2) ) *1.0e-6; f20: Re = 4 * drain_water.mass / (dyn_visc_WF*n_Pipes*d_Pipe*3.14); #======================================= # Mass balance #======================================= f21: feed_water.mass - drain_water.mass = 0; #======================================= # Calculation for temperature of the wall #======================================= f22: T_Wall = (feed_water.t + drain_water.t)/2 + 50; #======================================= # Pressure balance #======================================= f23: feed_water.p - drain_water.p = 0; #======================================= # Energy balance #======================================= f24: Q_W = feed_water.mass * (drain_water.h - feed_water.h);

#======================================= # Equations describing the chemical reactions #======================================= fWATER: drain.Composition.WATER*drain.mass = 0.0; # no WATER (everything must be H2O) fAR: drain.Composition.AR*drain.mass = feed.Composition.AR*feed.mass + feed_comb.Composition.AR*feed_comb.mass; fC2H6: drain.Composition.C2H6*drain.mass = 0.0; fC3H8: drain.Composition.C3H8*drain.mass = 0.0; fCH4: drain.Composition.CH4*drain.mass = 0.0; fCO: drain.Composition.CO*drain.mass = 0.0; fCO2: drain.Composition.CO2*drain.mass = feed.Composition.CO2*feed.mass+ ( feed_comb.Composition.CO2 + 2.7500 * feed_comb.Composition.CH4 + 2.9333 * feed_comb.Composition.C2H6 + 3.0000 * feed_comb.Composition.C3H8 + 1.5714 * feed_comb.Composition.CO) * feed_comb.mass + feed_rez.Composition.CO2*feed_rez.mass ; fH2: drain.Composition.H2 = 0.0; fH2O: drain.Composition.H2O*drain.mass = feed.Composition.H2O*feed.mass + ( feed_comb.Composition.H2O + 9.0000 * feed_comb.Composition.H2 + 2.2500 * feed_comb.Composition.CH4 + 1.8000 * feed_comb.Composition.C2H6 + 1.6364 * feed_comb.Composition.C3H8 + 0.5294 * feed_comb.Composition.H2S) * feed_comb.mass + feed_rez.Composition.H2O*feed_rez.mass; fH2S: drain.Composition.H2S = 0.0; fN2: drain.Composition.N2*drain.mass = feed.Composition.N2*feed.mass + feed_comb.Composition.N2*feed_comb.mass + feed_rez.Composition.N2*feed_rez.mass; fO2: drain.Composition.O2*drain.mass = feed.Composition.O2 * feed.mass - ( 8.0000 * feed_comb.Composition.H2 + 4.0000 * feed_comb.Composition.CH4 + 3.7333 * feed_comb.Composition.C2H6 + 3.6364 * feed_comb.Composition.C3H8 + 0.5714 * feed_comb.Composition.CO + 1.4118 * feed_comb.Composition.H2S) * feed_comb.mass + feed_rez.Composition.O2*feed_rez.mass; fSO2: drain.Composition.SO2*drain.mass = feed.Composition.SO2 * feed.mass

+ ( feed_comb.Composition.SO2 + 1.8824 * feed_comb.Composition.H2S) *feed_comb.mass + feed_rez.Composition.SO2 * feed_rez.mass; tWater_feed: tWater_comb: Variables delta_p delta_p_comb width_FlR depth_FlR height_FlR epsilon_wall d_Pipe n_Pipes dyn_visc_WF Q_W T_Wall T_ad heat_value dhf_std dhfc_std dhfr_std dhd_std lambda area_O_FlR area_out_FlR V_FlR S_gl epsilon_Fla epsilon_FlR Re Characteristics f_dyn_visc_Water Dynamic viscosity of water ((10^-6)*Pas) Pressure drop of the air Pressure drop of the fuel Width of the combustion chamber Depth of the combustion chamber Height of the combustion chamber Emissivity of walls in the combustion chamber Diameter of pipe Number of pipes Dynamic viscosity of the working fluid Heat flow to walls in the combustion chamber Temperature of walls in the combustion chamber Adiabatic firing temperature Heating value of the chemical reaction Enthalpy difference of the feed stream against norm conditions (p=1.0 bar, T=25.0degC) Enthalpy difference of the feed_comb stream against norm conditions (p=1.0 bar, T=25.0degC) Enthalpy difference of the feed_rez stream against norm conditions (p=1.0 bar, T=25.0degC) Enthalpy difference of the drain stream against norm conditions (p=1.0 bar, T=25.0degC) Air ratio $$$ Outside surface of the combustion chamber Exit surface for the exhaust gas Volume of the combustion chamber Layer thickness Emissivity of the combustion chamber The average emissivity of the combustion chamber Renold test(feed.Composition.WATER == 0.0); test(feed_comb.Composition.WATER == 0.0);

+ 2.2500 *

Bl_combustor_geometryPurpose Model equations f2: (feed.Composition.fhf0()+feed.h) * feed.mass + (feed_comb.Composition.fhf0()+feed_comb.h) * feed_comb.mass = (drain.Composition.fhf0() + drain.h) * drain.mass; f3: feed.h - dhf_std -feed.Composition.fhpt(1.0, 25.0) = 0.0; f4: feed_comb.h - dhfc_std - feed_comb.Composition.fhpt(1.0, 25.0) = 0.0; f5: drain.h - dhd_std - drain.Composition.fhpt(1.0, 25.0) = 0.0; f6: dhf_std * feed.mass + ( dhfc_std + heat_value ) * feed_comb.mass = dhd_std * drain.mass; f10: f11: feed_comb.p - delta_p_comb = drain.p; feed.p - delta_p = drain.p;

feed_comb.Composition.CH4 + 1.8000 * feed_comb.Composition.C2H6 + 1.6364 * feed_comb.Composition.C3H8 + 0.5294 * feed_comb.Composition.H2S) * feed_comb.mass + feed_rez.Composition.H2O*feed_rez.mass; fH2S: drain.Composition.H2S = 0.0; fN2: drain.Composition.N2*drain.mass = feed.Composition.N2*feed.mass + feed_comb.Composition.N2*feed_comb.mass + feed_rez.Composition.N2*feed_rez.mass; fO2: drain.Composition.O2*drain.mass = feed.Composition.O2 * feed.mass ( 8.0000 * feed_comb.Composition.H2 + 4.0000 * feed_comb.Composition.CH4 + 3.7333 * feed_comb.Composition.C2H6 + 3.6364 * feed_comb.Composition.C3H8 + 0.5714 * feed_comb.Composition.CO + 1.4118 * feed_comb.Composition.H2S) * feed_comb.mass + feed_rez.Composition.O2*feed_rez.mass; fSO2: drain.Composition.SO2*drain.mass = feed.Composition.SO2 * feed.mass + ( feed_comb.Composition.SO2 + 1.8824 * feed_comb.Composition.H2S) *feed_comb.mass + feed_rez.Composition.SO2 * feed_rez.mass; tWater_feed: tWater_comb: test(feed.Composition.WATER == 0.0); test(feed_comb.Composition.WATER == 0.0);

fLambda: feed.Composition.O2 * feed.mass * (lambda - 1.0) lambda * drain.Composition.O2 * drain.mass = 0.0; # equations describing the chemical reactions fWATER: drain.Composition.WATER*drain.mass = 0.0; # no WATER (everything must be H2O) fAR: drain.Composition.AR*drain.mass = feed.Composition.AR*feed.mass + feed_comb.Composition.AR*feed_comb.mass; fC2H6: drain.Composition.C2H6*drain.mass = 0.0; fC3H8: drain.Composition.C3H8*drain.mass = 0.0; fCH4: drain.Composition.CH4*drain.mass = 0.0; fCO: drain.Composition.CO*drain.mass = 0.0; fCO2: drain.Composition.CO2*drain.mass = feed.Composition.CO2*feed.mass+ ( feed_comb.Composition.CO2 + 2.7500 * feed_comb.Composition.CH4 + 2.9333 * feed_comb.Composition.C2H6 + 3.0000 * feed_comb.Composition.C3H8 + 1.5714 * feed_comb.Composition.CO) * feed_comb.mass + feed_rez.Composition.CO2*feed_rez.mass ; fH2: drain.Composition.H2 = 0.0; fH2O: drain.Composition.H2O*drain.mass = feed.Composition.H2O*feed.mass + ( feed_comb.Composition.H2O + 9.0000 * feed_comb.Composition.H2

######################################################### ################### # Geometry # ######################################################### ################### heat_input: heat_value * feed_comb.mass = heat_input;

Variables # source: George_Nikolaus Stamatelopoulos, Braunschweig, #Fortschritt bericht VDI, Nr 340, 1996 volum_stress: q_v * volume= heat_input; section_stress: q_section = heat_input / A_section; temperature_stress: q_temperature = heat_input/A_temp; delta_p delta_p_comb lambda heat_value dhf_std dhfc_std ######################################################### ################### # Empirical formel for calculation of q_v, q_section and q_temeparture # ######################################################### ################### #only for gasfiring volums_stress1: q_v * (heat_input ^-0.103) = 0.43 ; section_stress1: q_section = 0.83 * (heat_input^0.27); temperature_stress1: q_temperature = 0.208* (heat_input^0.24); dhd_std heat_input volume q_v q_section A_section q_temperature A_temp depth height A_belt ######################################################### ################### # Boiler dimensions # ######################################################### ################### combustor_depth: depth^2* q_section = heat_input; height: height * depth^2 =volume; belt_are: A_belt * q_section = heat_input; flame_area_hight: fl_h * 4 * depth = A_belt; fl_h height = height + (0.3333 * feunnel hight) Combustion area it is a dimennsion for temeprature stress Wrmeaufnehemende Flche in brennerbereich. Comustor room volume (George-Nikolaus vdi, 1996, Page 80) pressure drop of the air pressure drop of the fuel air ratio $$$ heating value of the chemical reaction Enthalpy difference of the feed stream against norm conditions (p=1.0 bar, T=25.0degC) Enthalpy difference of the feed_comb stream against norm conditions (p=1.0 bar, T=25.0degC) Enthalpy difference of the drain stream against norm conditions (p=1.0 bar, T=25.0degC)

Bl_combustor_StrPurpose The used fuel is biomass, coal and gas

Bl_combustor_StrPurpose Model equationsdrain_rad

drain_water

drain

#======================================= # mass balance equation #======================================= f1: feed.mass - drain.mass = 0; #======================================= # pressure drop #======================================= f2: feed.p - drain.p = 0; #======================================= # Geometry #======================================= # Lateral surface f3: area_O_StR = 2 * (width_StR * height_StR + depth_StR * height_StR);

feed_water

feed

feed_rad

# Exit surface f4: area_out_StR = width_StR*depth_StR; # Volume f5: volume_StR = width_StR*height_StR*depth_StR; # Layer thickness f6: S_gl_StR = 3.4*volume_StR/(area_O_StR + area_out_StR); #======================================= # Emissivity of H2O and CO2 #======================================= #======================================= # Partial pressure of H2O and CO2 #======================================= # Partial pressure of CO2 f7: p_CO2 = feed.Composition.CO2*feed.p*0.18892/0.21567; # Partial pressure of H2O f8: p_H2O = feed.Composition.H2O*feed.p*0.46152/0.21567;

Connections Bl_stream: feed Bl_stream: drain stream: feed_water stream: drain_water radiation: feed_rad radiation: drain_rad

#======================================= # Temperature of exhaust gas #======================================= f9: T_g = (drain.t + feed.t)/2; #======================================= # Calculation for emissivity of exhaust gas #======================================= f10: a1 = 0.13 + 0.265*((T_g+273.15)/1000); f11: a2 = 0.595 - 0.15*((T_g+273.15)/1000); f12: a3 = 0.275 - 0.115 * ((T_g+273.15)/1000); f13: epsilon_ab = a1*(1-exp(-0*(p_H2O+p_CO2)*S_gl_StR)) + a2*(1-exp(-0.824*(p_H2O+p_CO2)*S_gl_StR)) + a3*(1-exp(-25.91*(p_H2O+p_CO2)*S_gl_StR)); #======================================= # Calculation for absorptivity of exhaust gas #======================================= f14: b1 = 0.13 + 0.265*((T_Wa+273.15)/1000); f15: b2 = 0.595 - 0.15*((T_Wa + 273.15)/1000); f16: b3 = 0.275 - 0.115*((T_Wa+273.15)/1000); f17: alpha_abs = b1*(1-exp(-0*(p_H2O+p_CO2)*S_gl_StR)) + b2*(1-exp(-0.824*(p_H2O+p_CO2)*S_gl_StR)) + b3*(1-exp(-25.91*(p_H2O+p_CO2)*S_gl_StR)); #======================================= # Calculation for heat transfer coefficient of the radiation #======================================= f18: alpha_str = (2 * epsilon_wa*psi/(1+epsilon_wa*psi) * 5.67 *(epsilon_ab*( (273.15+ (feed.t+drain.t)/2) /100 )^4 - alpha_abs * ((T_Wa+273.15)/100)^4) /((feed.t+drain.t)/2 -T_Wa));

#======================================= # Energy balance #======================================= #f19: Q_ges_StR = feed.h+ feed_rad.heat; #f20: 1000 * Q_ges_StR = alpha_str * area_O_StR * ((feed.t + drain.t)/2 T_Wa); f21: Q_ges_StR = Q_Wa_StR + drain_rad.heat; f22: (drain.Composition.fhpt(drain.p, drain.t) *1000+ area_O_StR*alpha_str*(drain.t+273.15)/(2*drain.mass)) = (feed.Composition.fhpt(feed.p, feed.t) * 1000 (area_O_StR*alpha_str*(0.5*(feed.t+273.15) (T_Wa+273.15))/drain.mass)); f23: drain_rad.heat = drain.mass*(feed.Composition.fhpt(feed.p,feed.t) drain.Composition.fhpt(drain.p,drain.t)) *area_out_StR/area_O_StR + (1-epsilon_ab)*phi*feed_rad.heat; f24: Q_Wa_StR = drain.mass*(feed.Composition.fhpt(feed.p,feed.t) drain.Composition.fhpt(drain.p,drain.t)) *(1-area_out_StR/area_O_StR) + (1-epsilon_ab)*(1-phi)*feed_rad.heat; #======================================= # Equations describing the water system ITE #======================================= #======================================= # Property values #======================================= visc_water: dyn_visc_WF = f_dyn_visc_Water(drain_water.p,((drain_water.t - feed_water.t)/2) ) *1.0e-6; Re: Re = 4 * drain_water.mass / (dyn_visc_WF*n_Pipes*d_Pipe*3.14); #======================================= # Mass balance #======================================= f25: feed_water.mass - drain_water.mass = 0; #======================================= # Pressure balance #======================================= f26: feed_water.p - drain_water.p = 0; #======================================= # Energy balance #======================================= f27: Q_Wa_StR = feed_water.mass * (drain_water.h feed_water.h); f28: T_Wa = (feed_water.t + drain_water.t)/2 + 50;

Variables depth_StR height_StR width_StR epsilon_wa d_Pipe n_Pipes phi psi dyn_visc_WF Q_ges_StR Dynamic viscosity of the working fluid Heat which is dispensed from exhaust gas in the radiation chamber to the wall Heat which is irradiated from the flame directly Temperature of walls in the radiation chamber Temperature of exhaust gas in the radiation chamber Outside surface of the radiation chamber Exit surface for exhaust gas Volume of the radiation chamber Layer thickness in the radiation chamber Absorptivity of exhaust gas Heat transfer coefficient of the radiation Emissivity of the exhaust gas Reynold Partial pressure of H2O Partial pressure of CO2 Local variable Local variable Local variable Local variable Local variable Local variable Dynamic Viscosity of water.( (10^-6)*Pas) # Layer thickness f6: S_gl_StR = 3.4*volume_StR/(area_O_StR + area_out_StR); #======================================= # Emissivity of H2O and CO2 #======================================= #======================================= # Partial pressure of H2O and CO2 #======================================= # Partial pressure of CO2 f7: p_CO2 = feed.Composition.CO2*feed.p*0.18892/0.21567; # Partial pressure of H2O f8: p_H2O = feed.Composition.H2O*feed.p*0.46152/0.21567; # Volume f5: volume_StR = width_StR*height_StR*depth_StR; # Exit surface f4: area_out_StR = width_StR*depth_StR; #======================================= # pressure drop #======================================= f2: feed.p - drain.p = 0; #======================================= # Geometry #======================================= # Lateral surface f3: area_O_StR = 2 * (width_StR * height_StR + depth_StR * height_StR); Depth of the radiation chamber Height of the radiation chamber Width of the radiation chamber Emissivity of walls in the radiation chamber Diameter pipe Number of pipes Irradiate ratio

Bl_combustor_Str_fluePurpose Model equations #======================================= # mass balance equation #======================================= f1: feed.mass - drain.mass = 0;

Q_Wa_StR T_Wa T_g area_O_StR area_out_StR volume_StR S_gl_StR alpha_abs alpha_str epsilon_ab Re p_H2O p_CO2 a1 a2 a3 b1 b2 b3 Characteristics f_dyn_visc_Water


#======================================= # Energy balance #======================================= #f19: Q_ges_StR = feed.h+ feed_rad.heat; #f20: 1000 * Q_ges_StR = alpha_str * area_O_StR * ((feed.t + drain.t)/2 T_Wa); f21: Q_ges_StR = Q_Wa_StR + drain_rad.heat; f22: (drain.Composition.fhpt(drain.p, drain.t) *1000+ area_O_StR*alpha_str*(drain.t+273.15)/(2*drain.mass)) = (feed.Composition.fhpt(feed.p, feed.t) * 1000 (area_O_StR*alpha_str*(0.5*(feed.t+273.15) (T_Wa+273.15))/drain.mass)); f23: drain_rad.heat = drain.mass*(feed.Composition.fhpt(feed.p,feed.t) drain.Composition.fhpt(drain.p,drain.t)) *area_out_StR/area_O_StR + (1-epsilon_ab)*phi*feed_rad.heat; f24: Q_Wa_StR = drain.mass*(feed.Composition.fhpt(feed.p,feed.t) drain.Composition.fhpt(drain.p,drain.t)) *(1-area_out_StR/area_O_StR) + (1-epsilon_ab)*(1-phi)*feed_rad.heat; #======================================= # Equations describing the water system ITE #======================================= #======================================= # Property values #======================================= visc_water: dyn_visc_WF = f_dyn_visc_Water(drain_water.p,((drain_water.t - feed_water.t)/2) ) *1.0e-6; Re: Re = 4 * drain_water.mass / (dyn_visc_WF*n_Pipes*d_Pipe*3.14); #======================================= # Mass balance #======================================= f25: feed_water.mass - drain_water.mass = 0; #======================================= # Pressure balance #======================================= f26: feed_water.p - drain_water.p = 0; #======================================= # Energy balance #======================================= f27: Q_Wa_StR = feed_water.mass * (drain_water.h feed_water.h); f28: T_Wa = (feed_water.t + drain_water.t)/2 + 50;

#======================================= # Calculation for irradiate ratio #======================================= f29: phi = (c_c_1 - c_c_2 - c_c_3 + c_c_4)/(2*3.14*(T_2-T_1)*(width_StR - B_1)); fa_1: a_c_1 = sqrt(H_1^2 + width_StR^2); fa_2: a_c_2 = sqrt(H_1^2 + B_1^2); fa_3: a_c_3 = sqrt(height_StR^2 + width_StR^2); fa_4: a_c_4 = sqrt(height_StR^2 + B_1^2); fb_1: b_c_1 = T_1; fb_2: b_c_2 = T_2; fb_3: b_c_3 = depth_StR - T_1; fb_4: b_c_4 = depth_StR - T_2; fc_1: c_c_1 = a_c_1*(T_2*atan(T_2/a_c_1) - T_1*atan(T_1/a_c_1) (depth_StR - T_2)*atan((depth_StR-T_2)/a_c_1) + (depth_StR-T_1)*atan((depth_StR-T_1)/a_c_1)) + a_c_1^2/4*ln(((a_c_1^2+T_1^2)*(a_c_1^2+(depth_StR-T_2)^2))/((a_c_1^ 2+T_2^2)*(a_c_1^2+(depth_StR-T_1)^2) ) ) - b_c_1^2/4*ln(( (H_1^2+b_c_1^2+width_StR^2)*(height_StR^2 + b_c_1^2 + B_1^2) ) /( (H_1^2 + b_c_1^2 + B_1^2)*(height_StR^2 + b_c_1^2 + width_StR^2) ) ); fc_2: c_c_2 = a_c_2*(T_2*atan(T_2/a_c_2) - T_1*atan(T_1/a_c_2) (depth_StR - T_2)*atan((depth_StR-T_2)/a_c_2) + (depth_StR-T_1)*atan((depth_StR-T_1)/a_c_2)) + a_c_2^2/4*ln(((a_c_2^2+T_1^2)*(a_c_2^2+(depth_StR-T_2)^2))/((a_c_2^ 2+T_2^2)*(a_c_2^2+(depth_StR-T_1)^2) ) ) - b_c_2^2/4*ln(( (H_1^2+b_c_2^2+width_StR^2)*(height_StR^2 + b_c_2^2 + B_1^2) ) /( (H_1^2 + b_c_2^2 + B_1^2)*(height_StR^2 + b_c_2^2 + width_StR^2) ) ); fc_3: c_c_3 = a_c_3*(T_2*atan(T_2/a_c_3) - T_1*atan(T_1/a_c_3) (depth_StR - T_2)*atan((depth_StR-T_2)/a_c_3) + (depth_StR-T_1)*atan((depth_StR-T_1)/a_c_3)) + a_c_3^2/4*ln(((a_c_3^2+T_1^2)*(a_c_3^2+(depth_StR-T_2)^2))/((a_c_3^ 2+T_2^2)*(a_c_3^2+(depth_StR-T_1)^2) ) ) - b_c_3^2/4*ln(( (H_1^2+b_c_3^2+width_StR^2)*(height_StR^2 + b_c_3^2 + B_1^2) ) /( (H_1^2 + b_c_3^2 + B_1^2)*(height_StR^2 + b_c_3^2 + width_StR^2) ) ); fc_4: c_c_4 = a_c_4*(T_2*atan(T_2/a_c_4) - T_1*atan(T_1/a_c_4) (depth_StR - T_2)*atan((depth_StR-T_2)/a_c_4) + (depth_StR-T_1)*atan((depth_StR-T_1)/a_c_4)) + a_c_4^2/4*ln(((a_c_4^2+T_1^2)*(a_c_4^2+(depth_StR-T_2)^2))/((a_c_4^ 2+T_2^2)*(a_c_4^2+(depth_StR-T_1)^2) ) )

- b_c_4^2/4*ln(( (H_1^2+b_c_4^2+width_StR^2)*(height_StR^2 + b_c_4^2 + B_1^2) ) /( (H_1^2 + b_c_4^2 + B_1^2)*(height_StR^2 + b_c_4^2 + width_StR^2) ) ); Variables depth_StR T_1 T_2 height_StR H_1 H_2 width_StR B_1 B_2 epsilon_wa d_Pipe n_Pipes phi psi dyn_visc_WF Q_ges_StR Dynamic viscosity of the working fluid Heat which is dispensed from exhaust gas in the radiation chamber to the wall Heat which is irradiated from the flame directly Temperature of walls in the radiation chamber Temperature of exhaust gas in the radiation chamber Outside surface of the radiation chamber Exit surface for exhaust gas Volume of the radiation chamber Layer thickness in the radiation chamber Absorptivity of exhaust gas Heat transfer coefficient of the radiation Emissivity of the exhaust gas Reynold Partial pressure of H2O Partial pressure of CO2 Local variable Local variable Local variable Local variable Local variable Local variable Local variable Local variable Local variable Emissivity of walls in the radiation chamber Diameter pipe Number of pipes Irradiate ratio Width of the radiation chamber Height of the radiation chamber Depth of the radiation chamber

Q_Wa_StR T_Wa T_g area_O_StR area_out_StR volume_StR S_gl_StR alpha_abs alpha_str epsilon_ab Re p_H2O p_CO2 a1 a2 a3 a_c_1 a_c_2 a_c_3 a_c_4 b_c_1 b_c_2

b_c_3 b_c_4 c_c_1 c_c_2 c_c_3 c_c_4 b1 b2 b3 Characteristics f_dyn_visc_Water

Local variable Local variable Local variable Local variable Local variable Local variable Local variable Local variable Local variable Dynamic viscosity of water ((10^-6)*Pas) #======================================= # pressure drop #======================================= f2: feed.p - drain.p = 0; #======================================= # Geometry #======================================= # Lateral surface f3: area_O_StR = 2 * (width_StR * height_StR + depth_StR * height_StR); # Exit surface f4: area_out_StR = width_StR*depth_StR; # Volume f5: volume_StR = width_StR*height_StR*depth_StR; # Layer thickness f6: S_gl_StR = 3.4*volume_StR/(area_O_StR + area_out_StR); #======================================= # Emissivity of H2O and CO2 #======================================= #======================================= # Partial pressure of H2O and CO2 #======================================= # Partial pressure of CO2 f7: p_CO2 = feed.Composition.CO2*feed.p*0.18892/0.21567; # Partial pressure of H2O f8: p_H2O = feed.Composition.H2O*feed.p*0.46152/0.21567;

Bl_combustor_Str_towerPurpose Model equations #======================================= # mass balance equation #======================================= f1: feed.mass - drain.mass = 0;


#======================================= # Energy balance #======================================= #f19: Q_ges_StR = feed.h+ feed_rad.heat; #f20: 1000 * Q_ges_StR = alpha_str * area_O_StR * ((feed.t + drain.t)/2 T_Wa); f21: Q_ges_StR = Q_Wa_StR + drain_rad.heat; f22: (drain.Composition.fhpt(drain.p, drain.t) *1000+ area_O_StR*alpha_str*(drain.t+273.15)/(2*drain.mass)) = (feed.Composition.fhpt(feed.p, feed.t) * 1000 (area_O_StR*alpha_str*(0.5*(feed.t+273.15) (T_Wa+273.15))/drain.mass)); f23: drain_rad.heat = drain.mass*(feed.Composition.fhpt(feed.p,feed.t) drain.Composition.fhpt(drain.p,drain.t)) *area_out_StR/area_O_StR + (1-epsilon_ab)*phi*feed_rad.heat; f24: Q_Wa_StR = drain.mass*(feed.Composition.fhpt(feed.p,feed.t) drain.Composition.fhpt(drain.p,drain.t)) *(1-area_out_StR/area_O_StR) + (1-epsilon_ab)*(1-phi)*feed_rad.heat; #======================================= # Equations describing the water system ITE #======================================= #======================================= # Property values #======================================= visc_water: dyn_visc_WF = f_dyn_visc_Water(drain_water.p,((drain_water.t - feed_water.t)/2) ) *1.0e-6; Re: Re = 4 * drain_water.mass / (dyn_visc_WF*n_Pipes*d_Pipe*3.14); #======================================= # Mass balance #======================================= f25: feed_water.mass - drain_water.mass = 0; #======================================= # Pressure balance #======================================= f26: feed_water.p - drain_water.p = 0;

#======================================= # Energy balance #======================================= f27: Q_Wa_StR = feed_water.mass * (drain_water.h feed_water.h); f28: T_Wa = (feed_water.t + drain_water.t)/2 + 50; #======================================= # Calculation for irradiate ratio #======================================= f29: phi = 2/(3.14*a*b)*(ln(sqrt( (1+a^2)*(1+b^2)/(1+a^2+b^2) )) + b*sqrt(1+a^2)*atan(b/sqrt(1+a^2)) + a*sqrt(1+b^2)*atan(a/(1+b^2)) a*atan(a) - b*atan(b) ); fa: fb: a = depth_StR/height_StR; b = width_StR/height_StR;

Variables depth_StR height_StR width_StR epsilon_wa d_Pipe n_Pipes phi psi dyn_visc_WF Q_ges_StR Q_Wa_StR T_Wa T_g area_O_StR area_out_StR volume_StR S_gl_StR alpha_abs alpha_str epsilon_ab Re p_H2O p_CO2 a1 a2 a3 a b b1 b2 b3 Characteristics f_dyn_visc_Water Dynamic Viscosity of water.( (10^-6)*Pas) Dynamic viscosity of the working fluid Heat which is dispensed from exhaust gas in the radiation chamber to the wall Heat which is irradiated from the flame directly Temperature of walls in the radiation chamber Temperature of exhaust gas in the radiation chamber Outside surface of the radiation chamber Exit surface for exhaust gas Volume of the radiation chamber Layer thickness in the radiation chamber Absorptivity of exhaust gas Heat transfer coefficient of the radiation Emissivity of the exhaust gas Reynold Partial pressure of H2O Partial pressure of CO2 Depth of the radiation chamber Height of the radiation chamber Width of the radiation chamber Emissivity of walls in the radiation chamber Diameter pipe Number of pipes Irradiate ratio

Literatur

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bachelorarbeit

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