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Experimentelle und numerische Untersuchung der Wärmeleitung in Depositionsschichten

Published 2013

Citation: Andonov, W. Experimentelle und numerische Untersuchung der Wärmeleitung in Depositionsschichten, Diploma Thesis, Technische Universität Graz, Graz, Austria, 2013.

Abstract

Der Schwerpunkt dieser Arbeit richtet sich auf die Kondensation von Aschedämpfen und die Feinstaubablagerung in Biomasse-befeuerten Kesseln. Zu diesem Zweck wurden in einer Versuchsanlage aschebildende Substanzen verdampft und anschließend auf einer gekühlten Sonde kondensiert. Als Modellsubstanz für die Aschedämpfe der Biomasse wurde Kaliumchlorid verwendet. Das Rauchgas wurde dabei mittels Verbrennung von Erdgas durch einen Gasbrenner zur Verfügung gestellt. Es sollten Informationen darüber gewonnen werden, welche Struktur die Depositionsschicht durch Kondensation oder Feinstaubablagerung ausbildet (Porosität, Homogenität, Festigkeit, Struktur) und wie die gebildete Depositionsschicht den Wärmeübergang beeinflusst. Die Berechnung des Kondensationsmassenstromes der aschebildenden Substanz mittels eines Ähnlichkeitsansatzes zum Wärmeübergang (Lewis-Ansatz) zeigt eine gute Übereinstimmung zu den experimentellen Versuchen. Die Depositionsschicht weist eine sehr hohe Porosität (p > 0,97) auf. Das Wärmeleitmodell „k maximum“ berechnet entsprechende Werte für die Wärmeleitfähigkeit der Depositionsschicht. Die Struktur der gebildeten Depositionsschicht ist von der Oberflächentemperatur der Sonde abhängig. Bei niedriger Sondentemperatur (T1 = 300 °C) bildet sich das Gefüge der Kondensationsschicht aus Kaliumchlorid als würfelförmige Kristalle aus, die „turmartig“ aufeinander herauswachsen. Diese Schicht zeichnet sich durch eine höhere Stabilität aus. Bei höherer Sondentemperatur (T2 = 500 °C) ist das Gefüge aus kleineren nadeligen und tröpfchenförmigen Kristallen aufgebaut, welche „baumartig“ herauswachsen. Wenn man die Kondensationsschicht am Depositionsring betrachtet wird ersichtlich, dass sich die Verteilung der Depositionsmenge in Abhängigkeit von der Depositionsmasse sehr unterschiedlich ausbildet. Bei geringer Depositionsmenge (m < 0,01 [g]) ist die Verteilung gleichmäßig um den Ring verteilt, bei höherer Depositionsmenge (m>0,01 [g]) befindet sich der Hauptteil der Depositionsmasse hauptsächlich auf der rauchgaszugewandten Seite der Sonde. Obwohl die Berechnung der Kondensationsmassenströme mit Hilfe des Ähnlichkeitsansatzes eine gute Übereinstimmung zeigt, sind die berechneten Werte stets etwas höher als die gemessenen Ergebnisse. Es wird vermutet, dass die Ursache in der hohen Instabilität der Depositionsschicht liegt, wodurch Erosionsvorgänge durch die vom Rauchgas erzeugten Schubspannungen die Depositionsschichtdicke reduzieren. Die Wärmeleitfähigkeit der Depositionsschicht ist aufgrund der hohen Porosität (hoher Anteil des fluiden Rauchgasanteils mit geringer Wärmeleitfähigkeit, kleiner Anteil des stark wärmeleitenden festen Kaliumchlorids) sehr niedrig, aber trotzdem deutlich höher als die Wärmeleitfähigkeit des Rauchgases. Sie liegt in der Größenordnung von k = 0,1-0,2 [W/mK]. Schon geringe Depositionsschichtmassen bewirken eine starke Verringerung des Wärmeüberganges und einen damit verbundenen hohen Temperaturgradienten in der Depositionsschicht. In dieser Arbeit wurden die für den Aufbau der Depositionsschicht maßgebenden Einflussfaktoren untersucht. Diese sind die Rauchgasgeschwindigkeit, die Salzfreisetzung, die Kondensationsdauer und die Oberflächentemperatur. Die Salzfreisetzung ist maßgebend für die Kondensationsmasse. Eine Verdoppelung der Salzfreisetzungsrate zeigte im untersuchten Wandbereich eine Verdoppelung der Kondensationsrate. Eine Verdoppelung der Rauchgasgeschwindigkeit führte zu einer geringen Abnahme der Kondensationsmasse bei gleichbleibenden Betriebsparametern, welches höchstwahrscheinlich durch Erosionsvorgänge bedingt ist. Die Sondenoberflächentemperatur zeigte im untersuchten Temperaturbereich von 300°C-500°C bei geringen Kondensationsmassen keinen Einfluss auf die Kondensationsrate. Bei größeren Depositionsschichten hatte die höhere Temperatur eine Verringerung der Kondensationsrate zur Folge.