Strömungen mit chemischen Reaktionen / Verbrennungstechnik

Dr.-Ing. Vojislav Jovicic

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Dr.-Ing. Ana Zbogar-Rasic

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Aufnahmen aus dem Verbrennungslabor
Oben: nicht-thermisches (kaltes) Plasma;
Unten: Blick in den neuentwickelten Backofen mit porösen volumetrischen keramischen Brennern

Der Bereich B2 Strömungen mit chemischen Reaktionen und Verbrennungstechnik besteht am LSTM seit 1996. Die Forschung der B2-Forschungsgruppe ist stark anwendungsorientiert und umfasst experimentelle Untersuchungen von Strömungen mit chemischen Reaktionen sowie Wärmeübertragungsprozesse, unterstützt durch virtuelles Engineering und numerische Simulationen (CFD).
Den technisch wichtigsten Vertreter dieses Strömungstyps stellen Verbrennungsprozesse dar, die auch das Hauptarbeitsgebiet des Forschungsbereichs ausmachen. Verschiedene Technologien werden bis hin zur technischen Umsetzung entwickelt. Der sogenannte Volumetrische Keramische Brenner (auch bekannt als Porenbrenner) wurde am LSTM entwickelt, fortlaufend optimiert und an unterschiedlichste Anwendungen angepasst, einschließlich für die Stahl-, Glas- und Lebensmittelindustrie. Weitere Schwerpunkte liegen in der Untersuchung von nichtthermischem Plasma zur Wassersanierung und Oberflächenreinigung.

  • Entwicklung eines neuartigen Grundwassersanierungsverfahrens zur Beseitigung niedrig konzentrierter perfluorierter Tenside und ihrer Präkursoren mittels Behandlung durch Adsorption und nichtthermischem Plasma Delgado

    (Third Party Funds Single)

    Term: February 1, 2020 - January 31, 2022
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Abstract

    Das Projekt zielt auf eine neuartige Wassersanierungsmethode zur Beseitigung perfluorierter Tenside (PFT) aus Grund- und Abwasser mit einem deutlich höheren Wirkungsgrad als bisher erreichbar. PFT sind Organofluorverbindungen, die aufgrund ihrer Bioakkumulation und schlechten Abbaubarkeit in der Umwelt sowie wegen ihrer negativen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit bedenklich sind. In der Öffentlichkeit wurde man zunehmend auf PFT aufmerksam, daher bietet eine geeignete Wassersanierungsmethode einzigartige Marktchancen.
    Die Möglichkeiten zur Beseitigung von PFT aus kontaminierten Gewässern sind aufgrund ihrer extremen chemischen Stabilität begrenzt. Die Hauptbehandlungsmethode ist die Adsorption mittels Aktivkohle, was aber mit hohen Betriebskosten verbunden ist. Die vorgeschlagene Methode besteht aus einer nicht-thermischen atmosphärischen Plasmabehandlung, bei der der Hauptanteil an PFT zersetzt wird, sowie der Adsorption durch Ionenaustauscher, bei der der Restanteil an PFT adsorbiert wird. Hierbei dienen numerische und experimentelle Untersuchungen sowie Dauertests an einem Testfeld zur Verifikation und Charakterisierung des neuartigen Wassersanierungskonzepts.

  • Anwendung von atmosphärischer kalter Plasma-Technologie auf Weizenmehl mit anschließender Quantifizierung der Auswirkungen auf die Netzwerkfunktionalität von Teigen und Qualität von Backerzeugnissen

    (Third Party Funds Single)

    Term: March 1, 2019 - February 28, 2022
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Abstract

    Die Qualität von Mehl unterliegt insbesondere hinsichtlich seiner funktionellen Eigenschaften natürlichen Schwankungen. Um diese zu kompensieren bzw. um die Mehlqualität und -funktionalitätzu verbessern, ohne dabei nährwertbezogene und sensorische Charakteristika zu beeinträchtigen, wurde bereits eine Vielzahl an Mehlbehandlungsverfahren (Oxidationsmittel, oxidierende Enzyme, Autoklaven, Mikrowellen-, IR-und UV-Technik) untersucht. Die für die Nutzung dieser Verfahren z. T. erforderlichen,aufwändigen Verarbeitungs-schritte und die damit verbundenen Kosten stehen einem Einsatz der meisten dieser Behandlungsmethoden jedoch entgegen. Eine Alternative, insbesondere zur Verwendung chemischer Oxidationsmittel, könnte sich durch den Einsatz atmosphärischen kalten Plasmas bieten. Kaltes Plasma erfordert nur einen geringen Energieeinsatz(0,19 W/cm²) und ist rückstandsfrei.Voruntersuchungen mit diesem Verfahren zeigten eine Verbesserung der elastischen und viskosen Eigenschaften von Mehlen und hieraus resultierend Verbesserungen in der Netzwerkfunktionalität, der optimalen Knetzeit und der rheologischen Eigenschaften von Teigen. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, aufbauend auf diesen Voruntersuchungen ein Betriebsfenster für eine Anwendung der kalten Plasma-Technologie bei Mehl zu ermitteln. Hierfür ist ein Versuchsstand vorgesehen bestehend aus einem rotierenden Zylinder mit Elektroden, der so gestaltet ist, dass die Plasmabehandlung des Mehlsüber verschiedene Parameter (Plasmaeinheit: Behandlungsdauer, Drehgeschwindigkeit, Leistung und Elektrodenabstände; Probenmaterial: Mehltype, Qualitätssorte) eingestellt werden kann. Es werden die Auswirkungen der Plasmabehandlung auf die Funktionalität von resultierenden Teigen sowie auf die Qualität der Backerzeugnisse untersucht.

  • LOHCmobil - H2 Verbrenner/ Konstruktion und Erprobung des volumetrischen keramischen Brenners

    (Third Party Funds Single)

    Term: January 1, 2018 - December 31, 2020
    Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi)
    Abstract

    Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines deutlich kompakteren und dynamischeren Wasserstoff-Freisetzungsverfahrens auf Basis eines volumetrisch-keramischen Brenners mit entsprechendem Kesselsystem zum Einsatz in stationären und mobilen Wasserstofffreisetzungsanlagen und dessen allgemeingültige effiziente Integration und Anpassung in diese Anlagen, um die Kommerzialisierung der Wasserstoffspeicherung in LOHC im Markt voran zu treiben. Das neue Verfahren soll den Eigenverbrauch an Wasserstoff für die Verbrennung bei einer 100 kW Wasserstofffreisetzungsanlage von derzeit etwa 45 kW auf insgesamt angestrebte 30 kW reduzieren. Zudem soll das neue Verfahren deutlich kompakter und dynamischer sein als derzeit auf dem Markt vorhandene Brennersysteme. Die ermöglichten, schnellen Lastwechsel sollen die Integration in mobile Anwendungen ermöglichen.

  • Systematische Untersuchungen zur Einsatzqualifizierung einer innovativen Backofentechnik mit volumetrischem keramischem Brenner (VKB) einstellbaren Wellenlängenspektrums sowie hoher Regeldynamik und Energieeffizienz

    (Third Party Funds Single)

    Term: May 1, 2014 - April 30, 2017
    Funding source: AIF Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen
    Abstract

    As part of thisresearch project, a possibility of application of a novel gas-fired baking oventechnology is to be developed, in which for the first time in the food industrya volumetric ceramic burner (VCB) is to be used. In many other industrialfields, VCB systems have demonstrated superior energy utilization and processecology. A VCB-based baking oven technology combines the benefits of energytransfer, primarily due to thermal radiation, with a broad power modulationrange. Thus, it promises not only the possibility of influencing the wavelengthspectrum and its radiation intensity, but also an otherwise unattainablecontrol dynamics, which is needed for the design and implementation of variousbaking programs, and the resulting increased energy efficiency. A VCB-based gas-firedbaking oven technology therefore offers particular advantages to small andmedium-sized enterprises (SMEs), which frequently vary their product range and productioncapacities.
    The baking oven type, the design of the thermal energy supply system, themoisture content in the baking oven and the baking time have a decisive effecton the resulting mass and energy transport conditions. However, there is a lackof knowledge about required optimal process conditions. Experimental studieshave shown the positive influence of thermal radiation on the baking process, e.g.reduction of energy required for the baking process and improvement of transferredthermal energy control and regulation. In this regard, there are so farinsufficient data regarding the optimal wavelength range for baking purposes.
    The aim of this research project is development and operational qualificationfor a novel gas-fired baking oven concept based on a volumetric ceramic burner.Potential for application of this technology requires a critical evaluation ofthe operating window in interaction with product properties and processparameters. An additional goal is to explore which process conditions can berealized in the novel gas-fired furnace through the specific use of theinnovation-bearing characteristics, its control and wide dynamic powermodulation range and increased energy efficiency. The interdisciplinary projectis intended to create the basis for a fast and broad transfer of an innovativebaking technology and is thus of relevance to both companies in the field of bakingoven construction and users in the baking industry. In particular, SMEs willbenefit from the results, as their competitiveness can be increased by costsavings of 20 to 30% of energy costs for baking processes.

Zu den aktuell oder kürzlich in Projekten behandelten Themen zählen:

  • Brenner und Verbrennungsanlagen,
  • poröse volumetrische keramische Brenner (VKB) Technologie,
  • Wasserstoff- und Schwachgasverbrennung,
  • Heizsysteme,
  • industrielle Feuerungsanlagen,
  • Biomassevergasung,
  • Trocknungsanlagen,
  • Dampferzeugung,
  • thermische Energiegewinnung aus Rauchgasen,
  • Abgasreinigung,
  • Brennstoffzellensysteme,
  • verhalten heiße Jets,
  • nicht thermisches (kaltes) Plasma,
  • Abwasserreinigung,
  • keramische Werkstoffe,
  • numerische Strömungs- und Verbrennungssimulationen,
  • Sensorik, usw.

Experimentelle Ausstattung:

  • Fünf Laboratorien für die experimentelle Forschung inkl. drei Bunkerlabore.
  • Drei Gasanalysesysteme für O2, CH4, CO2, CO, NO, NOx, usw.
  • FID-Analysator (C3 Äquivalent)
  • Thermografie-System (50 Hz)
  • IR Color (Dualfrequenz)-Pyrometer
  • 16 Brenner-Dauerprüfstände (24/7 Betrieb)
  • Hochtemperaturofen TMAX = 1750°C,
  • Vakuum- und atmosphärische Plasmaanlagen.

Innerhalb des Forschungsbereiches werden neben den experimentellen auch numerische Untersuchungen angewandt. In Simulationen werden mittels verschiedener kommerzieller und quelloffener Simulationscodes die experimentell erhaltenen Ergebnisse nachgebildet.

2023

2022

2021

2020

2019

2018

2017

2016

2015

2014

2013

2011

2010