Thermoakustische Sensorik

Entwicklung thermoakustischer Sensorik für Industrieöfen zur Erkennung von Flammenstabilitätsgrenzen beim Einsatz von Erdgas-Wasserstoff-Mischungen – Beiträge zur Flammendiagnostik und Lärmreduktion im Ofenbau

Kurzbeschreibung

Eine Hauptquelle der Lärmemissionen in Industrieanlagen sind Feuerungen. Verbrennungsgeräusche turbulenter Flammen lassen sich nicht unterbinden. Schallemissionen über diesen Geräuschpegel hinaus können auf Brennkammerpulsationen oder Schwingungen hindeuten. Die dabei entstehenden Rückkopplungen sind von einer Vielzahl von geometrischen Faktoren und Betriebsparametern abhängig. Bereits kleine Änderungen der Brennstoffeigenschaften, geometrischen Randbedingungen sowie Temperaturunterschiede können u.a. dazu führen, dass bisher unauffällige Öfen plötzlich zu unerwünschten Instabilitäten neigen.

Die Problematik wird in industriellen Mehrbrennersystemen komplexer, in denen mehrere Flammen miteinander und mit der Umgebung interagieren. Zukünftig ist zu erwarten, dass höhere Anteile Gase aus erneuerbaren Quellen in schwankenden Anteilen in das Erdgasnetz eingespeist werden und so in industriellen Thermoprozessanlagen zum Einsatz kommen. Wasserstoff aus Power-to-Gas-Technologien oder klimaneutralen Erzeugungsprozessen wird dabei eine entscheidende Rolle spielen.

Die Veränderungen des Hauptenergieträgers für derzeitige industrielle Feuerungsanlagen hat Auswirkungen auf die verbrennungstechnischen Eigenschaften wie eine höhere Brenngeschwindigkeit und damit die Flammendimensionen sowie die spezifische Abgasmenge. Die daraus resultierenden Änderungen des Flammenverhaltens stellen eine Herausforderung sowohl für den Anlagenbetreiber als auch für Hersteller von Sensoren zur Flammenüberwachung dar. Obwohl Echtzeitmessungen, Flammenüberwachung und eine darauf abgestimmte Brennerregelung für Brennstoffe wie Erdgas, Kohle und Öl zum Stand der Technik zählen, sind eine zuverlässige Flammendetektion und Überwachung von Erdgas-Wasserstoff-Flammen immer noch Gegenstand der Forschung. Die Erkennung von Wasserstoff- und Gemischflammen ist herausfordernd, da Wasserstoff mit einer fast unsichtbaren bis blassblauen Flamme verbrennt.

Ziele des Projekts

Ziele des Projekts sind daher die Optimierung und Entwicklung einer neuen Flammenüberwachungseinrichtung – thermoakustischer Sensor – für den Einsatz mit wasserstoffhaltigem Gas und für die Regelung von Brennersystemen im Zusammenhang mit thermoakustischen Problemen sowie zur Verbrennungsoptimierung. Weiterhin soll Basiswissen für innovative Systeme zur Verhinderung und Detektion von ungünstigen Betriebszuständen in Industrieöfen geschaffen werden.

Arbeitsaufgaben OWI

• Evaluierung der Fähigkeit am Markt verfügbarer Sensoren zur Detektion von Erdgas-Wasserstoff-Flammen unter unterschiedlichen Bedingungen im Labor
• Entwicklung von Sensorprinzipien, die in der Lage sind, instabiles und suboptimales Flammenverhalten an verschiedenen Betriebspunkten zu erkennen, insbesondere unter Einfluss der Wasserstoffbeimischung auf das Flammenverhalten am Beispiel eines Industriebrenners
• Übertragung von Sensorprinzipien und Signalverarbeitungsmethoden auf Industriebrenner
• Numerische Modellierung des Versuchsaufbaus mittels CFD/ CAA
• Technische Evaluierung und Aufbereitung der Versuchsergebnisse für die Verwertung bei einem Industriepartner

Durchführende Forschungsstellen

•  OWI Science for Fuels gGmbH
•  Lehrstuhl für Gas- und Wärmetechnische Anlagen am Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik (IWTT) der Technischen Universität Bergakademie Freiberg

Projektförderung

Das IGF-Vorhaben 22736 BG / 1  „Thermoakustische Sensorik für Erdgas-Wasserstoff-Flammen im Ofen“ der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. – FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wird über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Projektlaufzeit

01/ 2023 bis 06/ 2025

Kontakt

Dipl.-Ing. Dagmar Kuckelberg
Tel.: 02407/ 9518-174
E-Mail: D.Kuckelberg@owi-aachen.de