Zweiphasen-Freistrahlmodell eines atmosphärischen Flugstromvergasers

Kern der vorliegenden Arbeit ist das Zweiphasen-Freistrahlmodell (2Ph-FJM) zur Simulation der reagierenden Zweiphasen-Strömung in einem atmosphärischen Flugstromvergaser. Mit dem 2Ph-FJM kann die Temperatur, die Strömungsgeschwindigkeit und chemische Reaktion in der Gasphase sowie die Aufheizung und die Verdampfung von Brennstofftropfen in der Hauptreaktionszone simuliert werden. Das 2Ph-FJM basiert auf einem modifizierten Freistrahlansatz, der ursprünglich dazu entwickelt wurde den Einphasen-Freistrahls mit Hilfe von Gauß-Profilen zu beschreiben. Die Beschleunigung, Aufheizung und Verdampfung von Tropfen sowie Stoffeigenschaften der Gasphase und des Brennstoffs wurden mit Modellen aus der Literatur modelliert. ... mehrFür die Gasphase wird Gleichgewicht angenommen. Bei der Modellierung von Geschwindigkeiten, Konzentrationen und Temperaturen von Gasphase und Tropfen wird die Übertragung von Impuls, Wärme und Masse zwischen den beiden Phasen sowie chemische Reaktion in der Gasphase berücksichtigt.
Der Zweiphasen-Freistrahl wurde zunächst in Versuchen unter Umgebungsbedingen untersucht. Dabei wurde der Einfluss der Tropfen auf Entrainment von Gas aus der Umgebung in den Freistrahl mit Hilfe von Tracergas-Messungen geprüft. Darüber hinaus wurde die radiale Verteilung der Flüssigkeitstropfen bei der Zerstäubung mit einem mechanischen Patternator gemessen und die Tropfengrößenverteilung und Tropfengeschwindigkeit mit einem Phasen-Doppler-Anemometer bestimmt. Aus den Messergebnissen konnte abgeleitet werden, dass die Gasphase des Zweiphasen-Freistrahls selbstähnlich ist und durch Gauß-Profile beschrieben werden können. Abhängig von den Betriebsbedingungen bei der Zerstäubung kann die radiale Konzentrationsverteilung von Zerstäubungsmedium und die Breite des Spraykegels beeinflusst werden. Dabei können sich Zerstäubungsmedium und Tropfen aus der Düse in der Zweiphasen-Strömung entmischen. Die Messungen wurden im 2Ph-FJM dazu genutzt, den Freistrahlansatz an den Zweiphasen-Freistrahl anzupassen und um Annahmen im Modell zu überprüfen. Außerdem wurde die gemessene Tropfengrößenverteilung als Eingangsgröße für das Modell verwendet.
Das 2Ph-FJM wurde in einem Vergasungsversuch am atmosphärischen Flugstromvergaser REGA validiert. Dazu wurde die Struktur der Flamme durch Messung von OH*-Chemilumineszenz abgebildet. Die Tropfengrößen und Tropfengeschwindigkeiten von Brennstoff in der heißen Reaktionszonen wurden mit einem Phasen-Doppler-Anemometer bestimmt. Messungen und Simulationsergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung in Bezug auf Tropfengeschwindigkeit, Tropfengröße und Flammenstruktur. Auf Basis des Validierungsversuchs wurde der Einfluss der Geometrie von Kontrollvolumina auf das Simulationsergebnis untersucht. Dabei zeigte sich das Modell robust gegenüber der Größe der Rechenzellen. In drei weiteren numerischen Untersuchungen wurde der Einfluss der Tropfengröße und der Düsengröße untersucht. Unter den untersuchten Bedingungen ist der Einfluss der Tropfengröße auf den Brennstoffumsatz am relevantesten. Die Zerstäubung ist daher ein wesentlicher Einflussfaktor auf den Brennstoffumsatz im Flugstromvergaser. Die Länge der Oxidationszone ist geprägt durch den äquivalenten Düsendurchmesser. Findet in der Oxidationszone keine relevante Verdampfung statt, nimmt die Länge der Oxidationszone linear mit dem äquivalenten Düsendurchmesser zu. Durch Verdampfung in der Oxidationszone wird die Oxidationszone verkürzt.
Das 2Ph-FJM wurde in einer rechenfähigen Version an die Arbeitsgruppe Vergasung am Institut für Technische Chemie (ITC) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) übergeben. Das 2Ph-FJM, die Validierungsversuche und die Untersuchungen im Zweiphasen-Freistrahl wurde im Rahmen dieser Arbeit in zwei Publikationen veröffentlicht.

The central focus of this thesis is the development of the two-phase free jet model (2Ph-FJM) for simulating the reacting two-phase flow in the main reaction zone of an atmospheric entrained flow gasifier. The 2Ph-FJM simulates the temperature, flow velocity and chemical reactions in the gas phase, as well as the heating and evaporation of fuel droplets. The 2Ph-FJM is based on a modified free jet approach, which was initially designed to describe single-phase free jets using Gaussian profiles. The acceleration, heating, and evaporation of droplets, as well as properties of the gas phase and droplets, are modelled using methods from the existing literature. ... mehrIn the gas phase, chemical equilibrium is assumed. While calculating the velocities, concentrations, and temperatures of both the gas phase and the droplets, the model accounts for the transfer of momentum, heat, and mass between the two phases, as well as chemical reactions in the gas phase.
The two-phase free jet was examined experimentally under ambient conditions. Tracer gas measurements were conducted to assess the effect of droplets on the entrainment of surrounding gas into the free jet. Additionally, the radial distribution of liquid droplets during atomization was measured using a mechanical patternator. The droplet size distribution and the velocities of droplets were determined with a Phase-Doppler anemometer. The experimental data showed that the gas phase of the two-phase free jet is self-similar and can be described by Gaussian profiles. Depending on the conditions during the atomization, the radial concentration distribution of the atomization medium and the spray angle are influenced. The atomization medium and droplets can segregate within the two-phase flow. The experimental measurements were used to adjust the free jet model for the two-phase flow and verify model assumptions. Furthermore, the measured droplet size distribution was used as an input parameter to the model.
The 2Ph-FJM was validated using a gasification experiment in the atmospheric entrained flow gasifier REGA. The flame structure was characterized by measuring OH*-chemiluminescence, while droplet sizes and velocities in the hot reaction zones were determined using a Phase-Doppler anemometer. The simulation results closely matched the experimental measurements in terms of droplet velocity, droplet size and flame structure. Based on the validation experiment, the influence of the control volume geometry on the simulation results was investigated. The results confirmed that the model is robust to variations in grid cell size. In three additional numerical studies, the effects of droplet size and nozzle diameter were explored. Under the examined conditions, droplet size had the most significant influence on the fuel conversion rate, underscoring the importance of atomization within the entrained flow gasifier. The length of the oxidation zone was found to be primarily influenced by the equivalent nozzle diameter. If significant evaporation does not occur in the oxidation zone, the length of the oxidation zone increases linearly with the nozzle diameter, while evaporation within the oxidation zone reduces its length.
The 2Ph-FJM was provided in an executable version to the Gasification Working Group at the Institute for Technical Chemistry (ITC) at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT). The 2Ph-FJM, the validation experiments and the studies in the two-phase free jet under ambient conditions were published in two journal articles as part of this thesis.