Leistungsverbesserung einer Biomasseheizung durch Verbrennungssimulationen und Parameterstudien
Branche: Energieversorung, Maschinen- und AnlagenbauFachgebiet: StrömungsmechanikIst vom Wirkungsgrad einer Heizung die Rede, nutzen Techniker den griechischen Buchstaben η, „eta“. Diesen mit nachwachsenden Ressourcen zu maximieren, ist Ziel und Anspruch der ETA Heiztechnik GmbH aus Oberösterreich. Deshalb werden bei der Entwicklung der Produkte auch die Möglichkeiten von Simulationen genutzt.
Zusammenfassung
Aufgabe
Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit sind entscheidende Eigenschaften in der Heiztechnik. Um erfolgreich zu bleiben, müssen auf die Nutzung von Biomasse spezialisierte Hersteller wie ETA ihre Produkte wie Stückholzkessel dynamisch und kostensparend weiterentwickeln. Insbesondere der Bau von Prototypen und aufwändige Versuche am Prüfstand sind oft langwierig und teuer.
Lösung
Als eine starke Alternative zur traditionellen Vorgehensweise haben sich bei ETA digitalisierte Entwicklungsmethoden erwiesen. So wurden über Verbrennungssimulationen in der Kesselbrennkammer das vermutete Optimierungspotenzial bei CO-Emissionen und der Ablagerung der Flugasche analysiert. Dadurch konnten Zusammenhänge aufgedeckt und die Effizienz der Abläufe erhöht werden.
Kundennutzen
Ohne den teuren und zeitintensiven Bau von Prototypen kann ETA mit Simulationen wesentliche Einflussfaktoren analysieren: In diesem Beispiel die CO-Konzentration in Verbindung mit dem Ausbrand und die Wandschubspannung, die die gewünschte Staubpartikelablagerung begünstigt. Zudem wurden Zielkonflikte verschiedener Faktoren erkannt und über Parameterstudien aufgelöst.
Im Rahmen der Skalierung des Stückholzkessels eSH mit integriertem optionalen E-Filter auf eine zusätzliche Baugröße sollte auch dessen Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit weiter verbessert werden. Da es sich um die Weiterentwicklung eines etablierten Produktes handelte, war ein zügiges und kosteneffizientes Vorgehen das Ziel und Simulationen das Mittel der Wahl.
Der eSH20 hat eine thermische Leistung von 20kW und beansprucht sehr wenig Aufstellfläche. Im Heizkessel sind serienmäßig bereits die automatische Zündung, Heizwasserpumpe, Rücklaufanhebung sowie Wärmemengenmessung verbaut. Das Herzstück des Kessels ist die Hochleistungsbrennkammer. In ihre Optimierung wurde sehr viel Entwicklungsarbeit investiert.
Um das Ziel der vollständigen Verbrennung zu erreichen, muss in der Nachbrennkammer das Rauchgas bei hohen Temperaturen bestmöglich durchmischt werden. Trotz hoher Turbulenz soll sich außerdem der Grobstaub nach dem Brennkammerausgang am Boden des Kessels ablagern. Denn an dieser Stelle kann gut manuell gereinigt werden, so dass der E-Filter von den großen Partikeln entlastet wird.
Durch die Simulationen haben die ETA-Ingenieure eine optimale Konstellation ermittelt, die bei einer traditionellen Vorgehensweise aus Analytik und Prototypentests mehr als doppelt so lang gedauert hätte. Gleichzeitig wurden die Kosten dafür um ca. 20% gesenkt. Ergebnisse mit vergleichbarer Aussagekraft wären damit kaum erzielt worden, denn die Simulation erlaubt die Detailbetrachtung von Bereichen, die am Versuchsstand gar nicht erreichbar sind.
Die kontinuierliche Verbesserung der Energieeffizienz ist gerade in der Heiztechnik erfolgsentscheidend und damit ein Muss, um sich am Markt zu behaupten. Der Schlüssel für Optimierungen liegt immer mehr in der Untersuchung von vermeintlichen „Kleinigkeiten“.
Genau das ist neben Zeit- und Kostenvorteilen eine weitere Stärke von digitalen Entwicklungswerkzeugen wie der Simulation: Mit ihnen lässt sich der Blick auf die Details richten. Die Auswirkungen von Änderungen werden nicht losgelöst, sondern im Gesamtkontext des Produktes sichtbar.
Über solche Mittel und Kompetenzen im eigenen Haus zu verfügen, macht innovationsstark, reaktionsschnell und unabhängig. Die ETA Heiztechnik GmbH hat dies mit Unterstützung der CADFEM Austria GmbH erreicht. Und der Weg ist noch nicht zu Ende: Mit der CADFEM Seminar-Flatrate werden die eigenen Simulationskompetenzen kontinuierlich ausgebaut.
Die Verbrennungssimulationen wurden mit Ansys Fluent durchgeführt. Darüber hinaus wurden mit Ansys Discovery Parameterstudien mit einer Vielzahl an Geometrievarianten realisiert. So konnten zahlreiche Brennkammergeometrien bewertet und Tendenzen festgestellt werden.
Dabei zeigte sich, dass die beiden zuvor definierten Größen einen Zielkonflikt aufweisen.
Die Ausgangsgeometrie weist eine lang gestreckte CO-Fahne im Bereich nach der Brennkammer auf.
Nach einigen Variationen konnte diese Fahne gestaucht werden, jedoch ist dadurch der Bereich hoher Wandschubspannungen signifikant größer geworden, was auf eine schlechtere Staubablagerung hindeutet. Nach weiteren Adaptionen der Geometrie konnte schließlich ein Optimum gefunden werden, bei dem die CO-Konzentration homogen über die Höhe des Strahlungszuges verläuft und die Wandschubspannungen über weite Bereiche des Bodens klein genug sind, sodass sich Staub ablagern kann.
