Numerische Simulation und messtechnische Evaluierung der Schadstoffemissionen aus Stückholzfeuerungen

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der numerischen Strömungssimulation (CFD) der Stückholzverbrennung in klassischen Kaminöfen im häuslichen Bereich (< 25 kW). Zur Evaluierung des Modells wurden umfangreiche Messungen innerhalb der Brennkammer und im Rauchgas einer Stückholzfeuerung durchgeführt. Das evaluierte Modell stellt eine wertvolle Unterstützung zur schnellen und wirtschaftlichen Entwicklung neuer, emissionsarmer Holzfeuerungen dar. Charakteristisch für den Verbrennungsprozess in einem Kaminofen ist die von der turbulenten Strömung dominierte Vermischung zwischen den Entgasungsprodukten des Holzes und der Luft bei relativ tiefen Verbrennungstemperaturen. Zur Beschreibung der turbulenten, reaktiven Strömung in der Brennkammer wurde im Rahmen der CFD-Modellierung das RNG k-eps; Turbulenzmodell verwendet, wodurch in Kopplung mit dem Eddy Dissipation Concept und einem globalen Reaktionsmechanismus die Verbrennung in der Gasphase abgebildet werden kann. Die Modellierung der Strahlung erfolgte über die Discrete-Ordinates-Methode; die Rußpartikel wurden über das Modell nach Tesner und Magnussen berücksichtigt. Durch die Implementierung der Materialdaten der Brennkammer konnten die Verluste über die Oberflächen berücksichtigt werden. Mit Hilfe der Laserabsorptionsspektroskopie wurden die Konzentrationen der an der Verbrennung maßgeblich beteiligten Spezies lokal in der Flamme ermittelt. Dadurch konnte das verwendete Brenngasfreisetzungsmodell, welches die Zusammensetzung der aus dem Holz unter Verbrennungsbedingungen entweichenden Gase beschreibt, validiert werden. Zusätzlich wurde der modellierte CO-Ausbrand innerhalb der Brennkammer anhand der Messergebnisse bestätigt. Ebenfalls stimmt die berechnete Temperaturverteilung in der Brennkammer mit den Messungen überein. Durch Variation der Luftzahl, der Position der Sekundärluftzuführung und des Primär- zu Sekundärluftverhältnisses ließen sich in der verwendeten Stückholzfeuerung verschiedene Verbrennungszustände realisieren. Das Emissionsverhalten der Feuerung wurde mit den Modellberechnungen qualitativ verglichen. Es zeigte sich, dass die über das CFD-Modell berechneten Emissionen an CO2, O2 und CO gut mit den Messungen übereinstimmten. Die Modellierung der TVOC-Emissionen erfordert dagegen detailliertere Reaktionsmechanismen. Die Rußemissionen konnten nicht plausibel über das verwendete Modell beschrieben werden. Zwar konnte das Rußmodell so angepasst werden, dass es korrekte Ergebnisse für einen stationären Betriebszustand lieferte, eine zuverlässige Vorhersage der Emissionen für eine große Bandbreite an Verbrennungszuständen erfordert dagegen die Entwicklung von genaueren Rußmodellen speziell für Holzfeuerungen.

This thesis deals with CFD-simulation (Computational Fluid Dynamics) of wood combustion in conventional wood log stoves for domestic use (< 25 kW). In order to evaluate the model, extensive measurements within the combustion chamber were carried out. Furthermore, the emission performance of the wood log stove was measured in detail. The evaluated model contributes important data to a fast and economical development of low-emission wood-log-fired stoves. The typical characteristic of the combustion process in a wood log stove is the mixing of the devolatilization products of wood and air. This intermixture is mainly influenced by the turbulent fluid flow within the stove and takes places at relatively low combustion temperatures. In the CFD-model, the RNG k-eps; turbulence-model was used in order to describe the turbulent fluid flow within the combustion chamber. In addition the Eddy Dissipation Concept and a global reaction-mechanism were used to describe the combustion process in the gas phase. The radiative heat transfer was modeled by the Discrete-Ordinates Method and soot was taken into account with the Tesner and Magnussen model. By taking material properties of the components used for the combustion chamber into account it was possible to calculate the heat-losses occurring all over the surface of the stove. Inside the flame, laser absorption spectrometry was used to detect the concentration of CO and CH4 locally, which are the two most important species of the combustion process. By using these results the combustion-gas-release-model could be validated, which describes the composition of the gas-mixture escaping the wood under combustion-conditions. Furthermore, the modeled CO burnout and the temperature distribution inside the combustion chamber could be verified by using the results of the measurements. By modifying the air ratio, the inflow conditions for secondary air and the ratio of primary air to secondary air, several combustion-stages could be realized inside the used test-stand wood log stove. The emission performance of the stove was qualitatively compared with the calculations of the CFD-model. It turns out that the simulated emissions of CO2, O2 and CO match well with the measurement data. The modeling of the TVOC-emissions requires more detailed reaction mechanisms. There is no problem with adapting the soot-model of Tesner and Magnussen in a way that it delivers correct results for stationary operating conditions. However, in order to come up with a reliable prediction of the soot-emissions for a spectrum of different operating conditions, the development of more precise soot-models, which are especially designed for wood-combustion, will be required.