Düsenoptimierung - Sinn und Unsinn

In meinen Augen ist es wenig sinnvoll die Düsen zu optimieren. Sicherlich gewinnt man das ein oder andere Joule an mechanischer Lüfterarbeit aufgrund geringere Druckverluste, aber ich glaube nicht das man wirklich bessere Vermischungen oder Verbrennungen dadurch erzeugt. Die Geometrie in unseren Kessel läßt nicht viel zu.
Bis dato wurde auch noch nie wirklich eine standhafte Messsreihe über Temperaturen in der BK, CO-Werte und Geometrie gemacht.
Ich kann mich täuschen aber es wurden auch viel grundlegendere Dinge noch nicht wirklich ermittelt. Z.b. der Temperaturverlauf der Brennkammer.

Man liest immer nur rein subjektive Aussagen, Luft da dort weniger, Verbrennung scheint besser, CO ist besser als...,
Solche Aussagen sind zwar nett, helfen aber nicht.
Warum ich das so provokativ angehe? Weil ich der Meinung bin, durch durch Diskurs zu neuen Lösungen zu gelangen. Ein "wir cremen uns das Poloch gegenseitig ein" hilft da leider Keinem weiter.

Ich war jetzt eine ganze zeitlang der Meinung das unsere Düsen egal ob orginal oder verbessert jede Menge Vermischung erzeugen und somit in Richtung Diffusionsflamme gehen. Das ist, wenn ich so meine CFD-Modelle anschaue, totaler Quatsch.
Die wesentliche Vermischung findet erst in der BK statt.

Hier ein kleines Beispiel dazu:
[Blockierte Grafik: http://3.bp.blogspot.com/-io9mBoYiGqg/Umu-WITvU2I/AAAAAAAAASY/m9duqbcES6Y/s1600/d%C3%BCse.jpg]

Das Holzgas wird einen Teufel tun und sich mit der kälteren Sekundärluft sauber vermischen. Viel mehr wird es eingeschnürrt und brennt eher wie eine atmosphärische Flamme ohne Vermischung.

Nun aussagen wie co besser kommen in der regel von leuten die regelm. messen.

wie aussagekräftig das auch sein mag, als top wissenschaftlich wird es ganze sicher nicht bezeichnet oder gesehen.

aber vorher, vor der iniative etwas zu ändern gab es gar nichts ausser düsen von sagen wir mieser qualität.

das ganze ist im grunde nichts anderes als experimentieren, beobachten und ergebnisse vergleichen.

Ob das ganze etwas bringt oder nicht geb ich zu, ist sehr schwer zu beurteilen.

das mit dem mische unterschiedlich warmer gase, leuchtet ein - ist bei flüssigkeiten auch so.

Das die hauptvermischung erst in der bk statt findet - das hat zur grossen bk geführt und zu weiteren umbauten und aufrüstungen.

Aber falls das mit der änderung der düse nix bringt, warum dann überhaupt mehr sek. löcher? würde dann nicht eins in der mitte reichen?! die originaldüsen haben 6, friedrichs 10+2.

Von der logik her sollte das sich ganze doch mit vielen kleinen löchern besser vermischen.
wenn ich heisses wasser in einen eimer kaltes schütte, vermischt sich das ganze bei einem dicken strahl weniger schnell als wenn ich das ganze via brausestrahl mache.

das ist wieder wenig wissenschaftlich aber nachvollziehbar.

und was das cremen betrifft - bei dieser art ergebnisse zu sammeln gibt es mehr fehlschläge und auch die werden hier veröffentlicht.

das hks z.b. bringt laut friedrich deutlich mehr als das düsenoptimieren.

Ich denke mal das Bild ist besser gelungen und man kann das Grundproblem ersehen.

[Blockierte Grafik: http://1.bp.blogspot.com/-byu6aoM2ymE/UmxB0Cmb1tI/AAAAAAAAASo/t95ZKsSuykk/s1600/Partikel_D%C3%BCse1.jpg]

Der Primärgasstrom wird vom Sekundärstrom platt gedrückt. Sicherlich gibt es da in Grenzschicht Turbulenzen sicher aber nicht soviel das sie die Gase in breiter Front gemischt werden. Wie gesagt das ist ein rundimentäres CFD Modell. Es werden keine skalare Größen oder chemische Reaktionen etc. berücksichtigt.

Ich kann wenn ich zeit finde auch mal eine Standard HV Düse durchjagen. Mir reichen Maße und Leistung.

Ich bin mir nicht sicher ob das Model wie von Max angeregt wirklich zutrifft. Das ist mehr ein Kamin gegen Windströmung.

Leider dauert so eine Iterration schon mal ne Stunde auf meinem alten Quadcore von daher kann ich jetzt nicht mal schnell tausende Varianten rechnen.

Die Geometrie oben ist bereits eine Evolutionsstufe. Drei bis vier davon würden eine HV-Düse ersetzen. Das erdachte Ziel war mal mehrere kleine Flammen mit hohem Drallanteil zu bauen. Das CFD Modell scheint aber andere Meinung zu sein.

Ich hab auch schon eine Attack 35 Düse gerechnet. Das Ergebnis entspricht in etwa dem meiner runden Düse. Auch dort wird das Primärgas stark eingeschnürt.

Da ich bei weitem noch nicht sattelfest mit CFD bin sondern das meine ersten Schritte sind, ist das alles mit etwas Vorsicht zu betrachten.
Wenn ich den mal herausfinden würde wie ich sinnvoll mit skalaren Werten umgehen muss, dann könnte man etwas bessere Bilder zur Vermischung machen. Ich denke mal die Temperatur wäre eine gute Größe um dazu eine Aussage zu machen.

Hier ein Bild von der 35iger Düse

[Blockierte Grafik: http://4.bp.blogspot.com/-LpeonIuvA1M/Umz5QlhaBeI/AAAAAAAAAS4/6jSZgUgQ65U/s1600/Spur.jpg]

Achja das ist Autodesk CFDesign kann man als testversion runterladen. Was alleine aber nicht viel helfen wird. Man sollte schon eine Ahnung davon haben was CFD macht ;).

Hacken bei Heattransfer und schon gehts mit Temperatur. Bilder kommen vielleicht heute abend. Hab noch ein paar andere Dinge zu tun..

Mit Openfoam hab ich mich noch nicht beschäftigt. In diesem FAll ist mir klicki bunti lieber

Wenn mir jetzt noch jemand einen Diffusionskoeffizienten von Holzgas in Luft liefern könnte, dann kann ich die Mixtur auch etwas besser darstellen.

Hier also die Ergebnisse.
Berechnung mit einem Diffusionskoeff. von 16 mm²/s² entspricht CO2 in Luft. Habe leider nichts anderes gefunden.
Holzgas Temperatur 500° und 43 m³/h Skalar 1, Temperatur Sekundärluft 250°C 13m³/h Skalar 0
Wichtig: In meinen Augen ist das Modell nur im Bereich des Düsenschlitz gültig, danach tritt die Verbrennung ein, die ich mit diesem CFD nicht modellieren kann.

In der Düsenmitte:
[Blockierte Grafik: http://1.bp.blogspot.com/-x6gkFX6lApU/Um2EIgWyy5I/AAAAAAAAATI/aaXv9S9_M9I/s1600/SchnittX_DueseMitte_Skalar.jpg]

Zwischen zwei Düsen:
[Blockierte Grafik: http://1.bp.blogspot.com/-2ni6c8w-X1Q/Um2EI-MLvZI/AAAAAAAAATM/JUsCj2Y6Xsc/s1600/SchnittX_Mitte_Skalar.jpg]

Schlitz Mitte:
[Blockierte Grafik: http://4.bp.blogspot.com/-oFMDiOk2dsQ/Um2EI6GYBzI/AAAAAAAAATQ/76SSD098kvo/s1600/SchnittY_Mitte_Skalar.jpg]

Schlitz Wandung:
[Blockierte Grafik: http://2.bp.blogspot.com/-cYLTAtXWCik/Um2EKQitDKI/AAAAAAAAATg/3vaFo2LoYkY/s1600/SchnittY_Wandung_Skalar.jpg]

Interpretation:
1. Die Mischung, sofern dieser Diffusionskoef. einigermaßen stimmt, läuft gar nicht so schlecht, und folgt zwar der Strömung, aber bei weitem nicht so eklatant.
2. Offensichtlich ist die Düsengeometrie nicht optimal. Ein relativ großer Teil an Primärgas wird ungeschmischt durch die Düse gejagt.
3. Das Temperaturfeld sieht in etwa genau so aus.
4. Wie schon gesagt ist die Gültigkeit stark auf den Düsenschlitz beschränkt. Sobald man in die Reaktionsfront kommt, steigt die Temperatur rapide an, was ich im moment nicht modellieren kann.
5. Der Diffusionskoeff. hängt stark von den TEmperaturen ab. Hier ist also zwangsläufig ein Fehler zu erwarten - insbesondere wegen der Temperaturunterschiede.

Nachdem das Modell jetzt stabil ist und konvergiert, kann ich sofern gewünscht weiter Varianten rechnen. Vorschläge werden erwartet.

Die Bohrungen der Sekundärlöcher sind bei den Düsen versetzt angeordnet, was sicher eine bessere Vermischung bewirkt. Jetzt wären noch die genauen Abmessungen von Friedrichs Düsen interessant.

…

Ich werde die Temperaturverhältnisse noch mal etwas anpassen. Das Problem ist halt, das wir jetzt bereits anfangen ein Modell zu bilden was nur auf Schätzungen basiert, entsprechend viel sagenden sind dann die Ergebnisse
Andererseits beschreibt das Modell zumindest schon mal phänomenologisch das Verhalten.

Hat irgendwer schon mal im Düsenspalttemperatur gemeßen? Dann könnte man das Modell etwas besser verifizieren.

Zitat von hammax

Hallo Simon,
...Düsenspalttemperaturen am Einlauf (=Primärgastemperatur) sind meines Wissens schon gemessen worden (möglicherweise HJH - hoffentlich hast du mit dem keinen Zoff ).
Ich schätze immer anhand der Glühfarbe des Düsensteinrostes - und behaupte: locker 800°, vielleicht sogar mehr.
Was mich noch interessieren würde: Wozu braucht das CFD-Modell den Diffusionskoeffizienten von "Holzgas", wenn es keine Verbrennung rechnet.
Die Temperaturleitfäghigkeit (a = m²/s) ist doch für die Fourier-DGL viel wichtiger.
Worüber ich auch noch ständig nachdenken muß:
Wenn die SekLuft in den "Brennbereich" eintritt, hat sie niedrige Temperatur.
Vom Volumenstrom werden ständig (20 - 5)% Sauerstoff "verheizt". Die führen nach freiwerdender Verbrennungsenthalpie zu einer Temperaturerhöhung (zumindest) des SekLuft-Volumens von nahe RT auf gut 800° - 1200° mit einer entsprechenden Volumenzunahme (zumindest) des SekLuftvolumens vom 5 - 6-fachen.
Gibt's in deinem CFD-Programm keinen Term, mit dem man diesen Umstand ohne Verbrennungsrechnung irgendwie einpflegen kann. Dann wäre die Modellrechnung nämlich überschlägig schlüssig und würde den Vorgang beim Vermischen realitätsnah beschreiben.
mfG Max

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Vermischung ist nunmal Diffusion. Was soll ich sagen. Natürlich wird dies umso schneller gehen, je besser das Gemisch im Makrobereich verwirbelt wird, da dann die mittleren Diffusionsstrecken viel kürzer werden.
Genau das berücksichtigt das CFD-Modell und mehr nicht. Das Programm ist nicht für Verbrennungsvorgänge erdacht worden. Zumal es m.e. nur sehr wenige käuflich erwerbare und fertige CFD-Systeme gibt, die eine Flamme simulieren können, sofern man überhaupt von können reden kann.

Aus meiner bisherigen Erfahrung mit autothermen Holzvergasern kann ich sagen, dass das Holzgas selten mehr wie 600°C bei Austritt hat. Eher weniger.
Und ich glaube nicht, dass in einem Holzvergaserkessel das Gas wesentlich anders zu Stande kommt, als in Industrievergasern. Daher bitte nur noch mit verlässlicher Quelle auf diesen Punkt antworten.

Und nochmal ich beabsichtige erst gar nicht die Verbrennung nach zu bilden. Mich interessiert nur die Mischung in der Düse und dafür reicht es, da die Verbrennung vermutlich erst kurz vor Austritt startet. Zumindest sagt das die Mischungstemperatur und die Tatsache das der Kesselboden nicht wegschmelzt. Man will nämlich auch gar keine Zündung in der Düse haben.

Zitat von gutber

Hallo Simon,

hinkt deine Berechnung nicht gewaltig?

1. du betrachtest nur eine Seite einströmende Luft und dazu sind...
2. die Bohrungen der Sekundärlöcher bei unseren Düsen noch versetzt angeordnet,
3. werden Primär und Sekundär mit unterschiedlichem, sich veränderndem Druck bedient

das könnte zu besserer Mischung beitragen

4. die Düsenänderungen haben zumindest das bewirkt: der Schorni hat bei HW55 anfangs immer über 4000ppm CO gemessen... und mit den geänderten Düsen lag das dann immer niedriger ,
erst unter 1000ppm, dann unter 100ppm ... im Normalbetrieb, nicht auf dem Messstand des Herstellers

ich persönlich kann noch dazu beisteuern das ich im Lieferzustand Wirkungsgrade von 36% bis 60% errechnet habe,
die kleinen Änderungen haben insgesamt ergeben das ich heute im Schnitt über 80% erzeuge, gewisse Schwankungen von einem zum nächsten Abbrand sind dabei ja normal, deshalb Durchschnitt
erwähnen will ich noch...
die Messung im letzten Jahr waren komplett ohne Lamdasonden Steuerung , die lief nur zu Mess- und Protokollzwecken das ganze Heiz-Jahr mit, die Regelung ist abgehängt

neue Änderungen bringen jetzt noch im Bereich von ca. 1%

Erwin

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1. falsch. Oder woran willst du das fest machen????
2. Meine Düse in meinem Kessel ist genau so aufgebaut.
3. Wird bereits über die entsprechenden Randbedingungen errechnet. Drücke ergeben sich aus den Druckverlusten und Volumenströmen.
4. Mein Vergaser läuft mit orginal Düse weiter unter Bimsch und das mit feuchter Buche...

Ich sag mal so ich glaube das wir nicht am Ende sind - sich aber diverse Leute in die falsche Richtung bewegen da,
1. Grundlegende Dinge zur Methodik nicht verstanden wurden.
2. Viele Dinge die für gut Gehalten werden, gar nicht so gut sind.

Ich persönlich sehe Optimierungspotential in der Beströmung der Brennkammer und verbesserter Düsengeometrie mit Störkörpern o. Ä. in Lochdüsen würde ich aber kein Geld mehr anlegen....