Numerical Optimization of the Nozzle Air Inlet Structure in H 2 -CH 4 Micromix Combustor

Während die Welt danach strebt, sich von fossilen Brennstoffen abzuwenden, wird von Gasturbinen etwas verlangt, wofür sie nie entworfen wurden: Wasserstoff zusammen mit Erdgas zu verbrennen. Wasserstoff ist ein sauberer Brennstoff, der beim Verbrennen kein Kohlendioxid erzeugt, aber er ist auch unglaublich reaktionsfreudig. Wenn er mit Luft gemischt wird, brennt er so schnell und heftig, dass er eine Rückflammung in die Brennstoffzufuhr verursachen oder intensive, lokalisierte Hotspots erzeugen kann, die schädliche Stickstoffoxide generieren. Um dies zu lösen, haben Ingenieure ein Konzept namens Mikromischverbrennung entwickelt. Anstatt einer einzigen großen Flamme nutzt dieser Ansatz hunderte winziger Kanäle, um ein weites Feld mikroskopischer Flammen zu erzeugen. Indem der Brennstoff und die Luft in kleine, separate Jets aufgeteilt werden, geschieht die Mischung fast augenblicklich, was die Bildung von Hotspots verhindert und die Emissionen niedrig hält. Damit dieses System jedoch funktioniert, müssen der Brennstoff und die Luft mit extremer Präzision gemischt werden, noch bevor sie entzündet werden. Wenn die Mischung ungleichmäßig ist, verschwinden die Vorteile der winzigen Flammen.

Ein Forscherteam der National Energy Group aus China und verschiedenen Forschungsinstituten setzte sich zum Ziel, das Design der Düse, die diese Mischung liefert, zu perfektionieren. Ihr Ziel war es, die beste Anordnung der Löcher zu finden, durch die die Luft in die Düse eintritt, um sicherzustellen, dass sie sich perfekt mit dem Wasserstoff- und Methangasgemisch vermengt. Sie bauten keinen physischen Prototyp für Tests im Labor; stattdessen nutzten sie leistungsstarke Computersimulationen, um den Gasfluss zu modellieren. Diese Simulationen ermöglichten es ihnen, zu beobachten, wie Luft und Brennstoff innerhalb der Düse interagieren, indem sie verfolgten, wie die Gase wirbeln, kollidieren und sich unter verschiedenen Bedingungen vermischen. Die Forscher konzentrierten sich auf einen spezifischen Typ von Düse, bei der die Luft von den Seitenwänden eintritt und mit dem von unten kommenden Brennstoff kollidiert, wodurch eine turbulente Umgebung entsteht, die die beiden Gase zusammenpresst.

Das Team begann damit, zu testen, wie die Anzahl der Luftlöcher den Mischungsprozess beeinflusst. Sie verglichen ein einfaches Design mit einer einzelnen Lage von vier Löchern mit komplexeren Anordnungen mit acht und zwölf Löchern. Sie fanden heraus, dass das Hinzufügen von mehr Lochlagen eine Kettenreaktion von wirbelnden Luftströmungen erzeugte. Wenn die Luft aus der Seite herausschießt, blockiert sie den Aufwärtsweg des Brennstoffs, was den Brennstoff dazu zwingt, zu wirbeln und einen Vortex, oder eine rotierende Lufttasche, nahe dem Boden zu erzeugen. Bei einer einzelnen Lage an Löchern stirbt diese Wirbelbewegung schnell ab. Aber bei zwei oder drei Lagen erfasst die Luft aus den oberen Löchern die Wirbelbewegung der unteren, wodurch ein zweiter, dritter und sogar noch mehr Vortices entstehen, während die Mischung nach oben steigt. Diese multiplen Schichten aus wirbelnder Luft dehnen und falten den Brennstoff und die Luft zusammen, ganz ähnlich wie beim Kneten von Teig, um sicherzustellen, dass sie gründlich vermengt werden, bevor sie das Ende der Düse erreichen. Die Forscher entdeckten, dass zwölf Löcher zwar eine leichte Verbesserung gegenüber acht darstellten, die zusätzliche Komplexität und der Fertigungsaufwand jedoch nicht den geringfügigen Gewinn an Leistung rechtfertigten. Sie entschieden sich für ein Doppel-Lagen-Design mit acht Löchern als das effizienteste Gleichgewicht.

Als Nächstes untersuchten die Forscher die Größe dieser Löcher. In ihrem ursprünglichen Design waren alle Luftlöcher gleich groß, aber sie bemerkten, dass der Luftdruck innerhalb der Düse nicht gleichmäßig war. Die Luft, die durch die unteren Löcher eintrat, stieß auf mehr Widerstand und bewegte sich mit weniger Kraft als die Luft, die durch die oberen eintrat. Um dies zu beheben, versuchten sie ein „gestuftes“ Design, bei dem die Löcher unten größer und die Löcher oben kleiner gemacht wurden. Diese einfache Änderung verteilte das Impulsmoment der Luft neu. Durch die Vergrößerung der unteren Löcher wurde mehr Luft mit größerer Kraft durch sie gedrückt, was den wirbelnden Vortex am Boden, wo der Brennstoff zuerst eintritt, verstärkte. Dieser stärkere Wirbel zog den Brennstoff effektiver in die Luft und eliminierte so Taschen aus unverbranntem Brennstoff, die in den einheitlichen Designs verblieben waren. Die Simulationen zeigten, dass dieser gestufte Ansatz die Mischqualität signifikant verbesserte und die Gleichmäßigkeit der Mischung auf nahezu perfekte Werte hob.

Das Team testete dann, ob diese optimierte Düse unterschiedliche Mengen an Wasserstoff bewältigen kann. Sie simulierten Bedingungen mit reinem Erdgas, einem Gemisch mit 60 % Wasserstoff und sogar reinem Wasserstoff. Die Ergebnisse zeigten, dass das neue Design für Gemische mit bis zu 60 % Wasserstoff hervorragend funktionierte. In diesen Szenarien blieb die Mischung gleichmäßig und stabil. Als sie jedoch den Wasserstoffgehalt auf 100 % erhöhten, begann das System zu kämpfen. Reiner Wasserstoff benötigt eine viel höhere Durchflussrate, um die gleiche Menge an Energie zu liefern, was bedeutet, dass der Brennstoff mit einer viel höheren Geschwindigkeit aus der Düse schießt. Dieser Hochgeschwindigkeits-Brennstoffstrahl wurde zu kraftvoll und durchschlug die Luftströmungen direkt, anstatt von ihnen erfasst und verwirbelt zu werden. Das empfindliche Vortex-System, das die Mischung zusammenhielt, brach zusammen, und die Mischqualität sank. Dieser Befund deutet darauf hin, dass die Düse zwar für die Übergangsphase der Wasserstoffzugabe zu Gas sehr effektiv ist, aber möglicherweise weitere Anpassungen benötigt, um reinen Wasserstoff zu handhaben.

Schließlich erkannten die Forscher, dass die Düse nicht so lang sein musste, wie sie sie ursprünglich in ihren Modellen gebaut hatten. Die Simulationen zeigten, dass die Mischung sehr schnell geschieht; bis die Gase 60 Millimeter die Düse hinaufgelaufen waren, waren sie bereits zu 97 % gemischt. Die verbleibenden 40 Millimeter Länge trugen nur sehr wenig zur endgültigen Qualität der Mischung bei. Diese Erkenntnis bedeutet, dass Ingenieure eine viel kürzere, kompaktere Düse bauen könnten, die Platz spart und die Herstellungskosten senkt, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass durch die sorgfältige Anordnung der Anzahl und Größe der Luftlöcher eine Düse geschaffen werden kann, die Wasserstoff und Erdgas effizient und sicher mischt, was einen praktischen Schritt in Richtung saubererer Energie für Gasturbinen darstellt.