Verbrennung

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Anmerkung: Die Vorlesung richtet sich an Studierende, die die Grundlagen der Verbrennungstechnik beherrschen wollen. Dazu sind Vorkenntnisse in der Strömungsmechanik, der Wärme- und Stoffübertragung sowie der Thermodynamik sinnvoll. Natürlich können im begrenzten Rahmen fehlende Vorkenntnisse im Eigenstudium unter Anleitung des Dozenten erworben werden.

Die Studierenden besitzen Kompetenz in der thermochemischen und fluiddynamischen Grundauslegung verbrennungstechnischer Systeme. Sie beherrschen die Grundlagen des Entwurfs und der Skalierung von Verbrennungsanlagen. Durch das Verständnis der thermofluiddynamischen Zusammenhänge in Flammen können bestehende Strömungsreaktoren analysiert und auftretende Probleme gelöst werden.

Reaktive Strömungen treten in vielen Bereichen des Ingenieurwesens auf. Das Spektrum reicht von Reaktoren in der chemischen Verfahrenstechnik bis zu Raketenantrieben. Allen Anwendungen gemeinsam ist die chemische Stoffumwandlung, die unter den thermodynamischen Hauptsätzen der Massen-, Impuls- und Energieerhaltung abläuft. Die Vorlesung führt in die Grundlagen zur Beschreibung reaktiver Strömungen am Beispiel der stationären Gleichdruck Verbrennung in Flammen ein, die in chemischer Synthese, Industrieöfen, Gasturbinen, Kochstellen und Heizgeräten breite Anwendung haben.
Die in den Vorlesungen Thermodynamik I+II eingeführten globalen Bilanzen der Verbrennungslehre (Stoichiometrie, Spezies-und Elementarbilanz, Bildungsenthalpie und Reaktionswärmetönung) werden rekapituliert. Dann wird die Reaktionskinetik der Gasphase am Stoßmodell erläutert, der Arrhenius-Ansatz und die Nettobildungsrate eingeführt. Das daraus resultierende, thermo-chemische Gleichgewicht als Grenzfall eines Verbrennungsprozesses und seine die Verbindung zum thermodynamischen Gleichgewicht werden dargestellt. Anschliessend werden die typische Abfolgen der Verbrennungskinetik (Start-, Ketten- und Rekombinationsreaktionen) erläutert und die daraus abgeleiteten Vereinfachungen (Partielles Gleichgewicht, Globalkinetik) illustriert. Die Struktur und Beschreibung laminarer Diffusions- und Vormischflammen führt schliesslich auf die simultane Betrachtung der Einflüsse von Transport, Mischung und Wärmefreisetzung mit dem Schwerpunkt auf der Entwicklung charakteristischer Kenngrössen der Verbrennungstechnik. Eine Einführung in die Freeware CANTERA ermöglicht interessierten Teilnehmern, die mit Papier und Bleistift erworbenen Grundlagen zu verallgemeinern. Ein Einschub über die Phänomenologie und Charakterisierung turbulenter Strömungsvorgange bereitet die Beschreibung der technisch wichtigen turbulenten Flammen vor. Diese werden dann am Beispiel realer Verbrennungssyteme eingeführt und in Verbindung mit den entsprechenden turbulenten Kenngrössen charakterisiert. Ein kurzer Ausblick in die Modelle der turbulenten Verbrennung beleuchtet deren Konzepte. Die Prozesse der mehrphasigen Verbennungssysteme werden angerissen, wobei sich die Darstellung auf die vereinfachte Behandlung von Einzeltropfen beschränkt. Abschliessend wird die Bildung und Kontrolle von Luftschadstoffen und der Einfluss der Verbrennungsführung darauf skizziert. In der zur Vorlesung angebotenen Übung werden die Vorlesungsinhalte aufgegriffen und angewandt.

Die Hörer sollten in der Thermo- und Fluiddynamik Vorkenntnisse haben. Grundbegriffe wie 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik, Massen-, Impuls- und Energiebilanz sowie des Wärme- und Stofftransportes, sind "aktivierbar" vorhanden. Aktivierbar bedeutet, daß der Verwendung dieser Konzepte keine detaillierte Einführung sondern nur ein Beispiel zur Rekapitulation vorausgeht. Natürlich können im begrenzten Rahmen fehlende Vorkenntnisse im Eigenstudium unter Anleitung des Dozenten erworben werden.

Interaktiver Vortrag und Skriptum schaffen die Voraussetzung für das Eigenstudium. Daraus erwachsene Fragen können im Plenum, in der Übung und in Sprechstunden geklärt werden. Eine Einführung in die Nutzung der Software CANTERA ermöglicht den Teilnehmern die unter vereinfachten Annahmen erlernten Zusammenhänge auf die komplexe Realität zu übertragen. Demonstrationen von Modellflammen und relevanten Effekten im Labor helfen, die Theorie greifbar zu machen.

Die Prüfung ist schriftlich, 30Min Kurzfragen ohne Hilfsmittel, 60Min Berechung mit schriftlichen Unterlagen und Taschenrechner. Beide Prüfungsteile werden zusammen gewertet.

Stephen Turns: "An Introduction to Combustion", McGraw Hill