Development of Numerical Simulation Methods for Energy and Pollution Optimization in Industrial Furnaces

Titel in Übersetzung: Entwicklung numerischer Simulationsmethoden für die Energie- und Emissionsoptimierung von Industrieöfen

Senthilathiban Swaminathan

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Ein zweistufiges numerisches Konzept wurde am Lehrstuhl für Thermoprozesstechnik entwickelt, um die Emission durch Stickoxide vorherzusagen. Das Konzept basiert auf einem Flamlet Ansatz und einem NOx Postprozessor. Mit diesem Ansatz lassen sich Stickoxidbildungen auch von nicht vorgemischten stationären Verbrennungsprozessen vorhersagen. Obwohl der gewählte Postprozessschritt weit weniger rechenintensiv ist als die klassischen detaillierten chemischen Modellierungsansätze, i.e. ¿Partially Stirred Reactor Model¿ oder das ¿Eddy Dissipation Concept¿, liegt die Rechenzeit bei mehreren Wochen. Daher ist eine Reduktion der Rechnenzeit erstrebenswert. In dieser Arbeit wurden drei verschieden Methoden zur Reduktion der Rechenzeit des NOx Postprozessor untersucht. Es wurde eine neue Strategie für die Initialisierung der chemischen Spezies, basierend auf dem Zeldovich-Mechanismus entwickelt. Des Weiteren wurde ein Verfahren zur adaptiven Netzgitteranpassung erstellt, welches nur die für den NOx Postprozessor relevanten Bereiche fein auflöst. Beim dritten Ansatz wurde die interne Struktur des chemischen Gleichungslösers modifiziert, um den Aufwand der notwendigen Rechenoperationen zu senken. Dies führt jedoch zu einem deutlich höherem Arbeitsspeicherbedarf. Der modifizierte Postprozessor wurde anhand der experimentellen Daten des Sandia National Laboratories mit der Flame D validiert. Mit diesen Methoden wurden zwei Studien an industriellen Brenner durchgeführt. Hierbei waren die Ziele die Optimierung der Stickoxidemissionen und die Untersuchung des Einflusses der Wasserstoffanreicherung im Erdgas auf die Stickoxidbildung. Hierbei konnten die Stickoxidemissionen im Erdgasbetrieb um 12.5% gesenkt werden. Wie zu erwarten, stiegen die Stickoxidemissionen durch die Beimischung von Wasserstoff an. Hier konnten die Ursachen im Detail für den jeweiligen Brennertyp erörtert werden.
Titel in ÜbersetzungEntwicklung numerischer Simulationsmethoden für die Energie- und Emissionsoptimierung von Industrieöfen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Lehner, Markus, Mitbetreuer (intern)
  • Siebenhofer, Matthäus, Beurteiler B (extern), Externe Person
  • Brand, Clemens, Beurteiler A (intern)
  • Raupenstrauch, Harald, Betreuer (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023

Bibliographische Notiz

gesperrt bis 17-08-2028

Schlagwörter

  • NOx
  • Detaillierten Chemische Modellierung
  • Numerische Methoden
  • Brenner
  • Emissionen

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