Numerical and experimental investigation of a pressure regulation system for coke ovens

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung eines Systems zur Einzelkammerdruckregelung auf Kokereien, das von der Firma DMT GmbH & Co. KG entwickelt und patentiert wurde. Das System wird auf modernen Kokereien eingesetzt, um Emissionen an den Koksöfen zu reduzieren und somit den strengen Umweltanforderungen hinsichtlich der Qualität der Umgebungsluft gerecht zu werden. Aufgrund der weltweit steigenden Stahlproduktion werden jedes Jahr enorme Mengen an Koks benötigt. Dieser Koks wird auf Kokereien in großen Ofenkammern produziert. Dabei wird Kohle unter Sauerstoffausschluss durch die zwischen 1150 und 1350 °C heißen Heizwände erhitzt. Dieser Vorgang der Pyrolyse dauert zwischen 18 und 24 Stunden. Während die flüchtigen Bestandteile und der Teer der Kohle als Gase entweichen, bleibt der Kokskuchen als fertiges Produkt im Ofen. In einer sogenannten Batterie sind 50 bis 70 dieser Ofenkammern zusammengeschlossen und über eine Sammelleitung verbunden, durch welche die Gase zur Reinigung geführt werden. Im konventionellen Kokereibetrieb werden die Gassammelleitung und dementsprechend auch die einzelnen Öfen im Überdruck betrieben, um das Eindringen der Umgebungsluft in die Ofenkammern zu verhindern, was zur Schädigung des Materials führen würde. Dadurch ist es aber unvermeidlich, dass es an den Ofentüren und Fülllöchern zu starken, hochgradig krebserregenden Emissionen kommt, da die Dichtungen den hohen Temperaturen und aggressiven Gasen bereits bei wenigen Millibar Überdruck nicht standhalten. Mit dem Einsatz des untersuchten Systems kann die Sammelleitung bei modernen Anlagen im Unterdruck betrieben werden und der Ofendruck gleichzeitig im minimal positiven Bereich gehalten werden. Realisiert wird das durch eine variable Wassertauchung. Die Emissionen werden dadurch um bis zu 70 % verringert. Ziel dieser Arbeit ist die Strömungsbeschreibung innerhalb des Systems und seiner zu- und abführenden Komponenten und eine darauf aufbauende Optimierung des Systems zur weiteren Emissionsreduktion auf Kokereien. Dazu werden zunächst Strömungssimulationen der zum Teil geschichteten und auch dispersen turbulenten Zweiphasenströmung innerhalb des Systems durchgeführt. Als Stoffe werden im ersten Ansatz Wasser und Luft verwendet, da die Ergebnisse anhand von Messwerten, die auf einem Teststand aufgenommen werden, validiert werden. Die experimentellen Untersuchungen bestehen aus Druckmessungen und einer Visualisierung der Strömung in einem Plexiglasmodell. Die so gewonnenen Ergebnisse werden auf den realen Anwendungsfall übertragen und dienen der besseren Auslegung und Dimensionierung des Systems. Es werden verschiedene Einflussgrößen auf die Druckregelung untersucht. Dazu gehören neben der Gaszusammensetzung auch die Temperatur, die Anströmung des Systems, die Geometrie des Ventils, die Ofengröße und die Einbauposition des Systems. Der Einfluss der zur Kühlung der rund 800 °C heißen Koksgase verwendeten Wassereinspritzung in der zuführenden Leitung des Systems ist ebenfalls Gegenstand der Untersuchungen. Der daraus resultierende Wandfilm und dessen Einfluss auf die Druckregelung werden auch betrachtet. Da das untersuchte System eine Weiterentwicklung darstellt, ist zusätzlich ein Vergleich bezüglich der Regelungseigenschaften des alten und neuen Systems durchgeführt worden. Des Weiteren werden die Wassertauchungen, die am System angebracht sind, untersucht und hinsichtlich der Wassermenge und Geometrie optimiert

Numerische und experimentelle Untersuchung zur metrologischen Nutzung von kavitierenden Venturi-Düsen

Die vorliegende Arbeit „Numerische und experimentelle Untersuchung zur metrologischen Nutzung von kavitierenden Venturi-Düsen“ entstand in Kooperation mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB). Ziel dieser Arbeit ist es, Grundlagen für die metrologische Anwendung von hydraulisch kavitierenden Düsen zu schaffen. Die Kavitation sorgt ab einem gewissen Punkt für eine Durchflussbegrenzung, ab der ein weiteres Absenken des Austrittsdruckes den Durchfluss nicht weiter erhöht. Dieses Phänomen ist aus der Durchflussmesstechnik von Gasen bei den sogenannten kritisch durchströmten Venturi-Düsen (CFVN) bekannt. Ähnlich den CFVN sollen kavitierende Düsen zur Generierung hochgradig genauer und konstanter Durchflüsse genutzt werden, was ihnen eine Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten bietet. In dieser Arbeit wurden dafür erste experimentelle sowie numerische Untersuchungen im Hinblick auf die messtechnische Anwendung durchgeführt. Dafür wurden etliche Geometrieeinflüsse, wie die generelle Düsenform, Düsen- und Diffusorwinkel, Düsenhalslänge usw. numerisch untersucht und darauf basierend Vorschläge für eine optimierte Geometrie abgeleitet. Anhand der Experimente wurde ein neues Phänomen, die sog. sprunghafte Verlängerung der Schichtkavitation, beobachtet. Durch die Auswertung der experimentellen und numerischen Untersuchungen konnte dieses Phänomen beschrieben und erklärt werden. Durch die Experimente konnte weiterhin eine Möglichkeit zur Berechnung des Durchflusses im Bereich der Durchflussbegrenzung abgeleitet werden. Diese basiert im Prinzip auf einer reibungslosen Betrachtung, die durch einen Korrekturfaktor angepasst wird. Neu ist in diesem Zusammenhang aber die Bewertung des Korrekturfaktors an sich. Durch einen Vergleich mit den numerischen Untersuchungen konnte der Korrekturfaktor in seine jeweiligen Anteile zur Korrektur der Geschwindigkeit und der Dichte aufgespalten werden. Weiterhin liefern die Experimente, vor allem im Zusammenhang mit den Hochgeschwindigkeitsaufnahmen etliche Nachweise für neuere Theorien hauptsächlich in Bezug auf die Schichtkavitation.The presented work „Numerical and experimental investigation on the metrological usage of cavitating Venturi-nozzles“ was carried out at the chair of fluid mechanics in cooperation with the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). The purpose of the investigations is to develop the basic aspects of the metrological usage of hydraulically cavitating nozzles. Within the nozzle, due to the cavitation, the flow becomes choked, which means that a further decrease of the backpressure won’t increase the flow rate any longer. The same phenomenon is known in gas metering from the so-called critical flow Venturi-nozzles (CFVN). Similar to the CFVN, the cavitating nozzles could be used for the generation of highly stable and accurate flow rates, offering a wide range of applicability. For this purpose, first experimental, as well as numerical investigations aiming at the metrological usage of the cavitating nozzles, were performed. The experiments have been carried out at the PTB, including high-speed camera observations with up to 140.000 fps. In addition to the experiments, numerical investigations using the commercial CFD-software Star-CCM+ were carried out. The numerical investigations cover for example the evaluation of geometry influences on the accuracy of the flow rate, such as the influence of the general nozzle geometry, nozzle, and diffuser angle. Based on the results, proposals for an optimized geometry have been derived. Due to the experiments, a new phenomenon, named the sudden extension of the vapor cloud, was observed. With the analysis of the experiments and additional numerical simulations, this phenomenon could be described and even physically explained. Based on the evaluation of the experimental results, a solution for the calculation of the choked flow rate is presented. The calculation is primarily based on an inviscid approach and fitted by a correction factor. Furthermore, due to the combined experimental and numerical approach, a novel estimation of the specific fraction of an influence of the correction factor could be done. In that way, the correction factor could be split into the correction of the velocity and the density. In addition, the experiments and especially in combination with the high-speed recordings provided numerous evidence for newer theories mainly related to sheet cavitation

Subsidiariteit en milieu in de Europese Gemeenschap : doos van Pandora of Panacee

FdR – Publicaties niet-programma gebonde

Europese unie en nationale soevereiniteit

FDR Trias Europea: de verhoudingen tussen de overheidsmachten in de EU en de lidstaten in een bewegend constitutioneel landschap -- ou