Modellmaessige Beschreibung und Simulation eines Heizsystems mit keramischem Strahlungsbrenner

Diese Arbeit beschreibt die Waerme- und Stofftransportmechanismen sowie die Stroemungsvorgaenge in einem katalytischen Strahlungsbrenner. In einem ersten Schritt wird das Betriebsverhalten eines unbeschichteten sowie direktbeschichteten (katalytischen) Strahlungsbrenners bei der Verbrennung von Erdgas als Funktion der wichtigsten System- und Betriebsparameter modelliert. Dieser Untersuchungsschritt beschraenkt sich auf eine Betrachtung der Brennerkoerperwand und aeusseren Randzone des Koerpers. Er liefert auf der Grundlage der stationaeren, eindimensionalen Erhaltungsgleichungen Temperatur-und Stoffprofile. Hieraus werden Umsatzgrade in der Katalysatorschicht, Strahlungswirkungsgrade sowie Flammentemperaturen abgeleitet und Bewertungen in bezug auf die thermische Belastung eingesetzter Katalysatoren getroffen. Hohe Umsatzgrade bei gleichzeitiger Erzielung von Temperaturniveaus oberhalb thermischer Stabilitaetsgrenzen zeigen die Grenzen der katalytischen Verbrennung im Fall des direktbeschichteten Brennerkoerpers. Auf der Basis der Beschreibung des Strahlungsbrenners wird in einem zweiten Schritt ein Rechenprogramm zur Simulation des Heizgeraetes vorgestellt. Dieses berechnet den thermischen Anlagenwirkungsgrad in Abhaengigkeit von den Betriebsparametern und geometrischen Einflussgroessen. Es beruecksichtigt den Strahlungsaustausch zwischen den Festkoerpern, Gasstrahlungseffekte und konvektive Waermeuebertragungsmechanismen. (orig.)This report describes the mechanisms of heat and mass transfer as well as the processes of flow within a catalytic radiant burner. In a first step the behaviour of an uncoated as well as directly-coated (catalytic) radiant burner is modelled for the combustion of natural gas in dependence upon the most important system and operating parameters. This step is confined to an analysis of the structure wall and the outer side of the structure. On the basis of the stationary, one-dimensional conservation equations it provides the distribution of temperatures and concentrations. From this the conversion, radiant efficiency and flame temperatures are derived. Furthermore an estimation of the used catalysts with respect to the thermal resistance is possible. High conversion levels along with temperatures above the thermal limits of stability show the limits of catalytic combustion in the case of the directly-coated structure. On the basis of the description of the radiant burner a program to simulate the heating-system is introduced in a second step. By this means the total thermal efficiency in dependence upon the operating parameters and geometric limiting quantities may be determined. It considers the radiant heat exchange between the solid materials, radiant effects of the gas and convective mechanisms of heat. (orig.)SIGLEAvailable from TIB Hannover: RA 831(3044) / FIZ - Fachinformationszzentrum Karlsruhe / TIB - Technische InformationsbibliothekDEGerman