Katalytische Verbrennung zur Stromerzeugung

Diplomarbeit von Ewald Maria Sütterlin

Einleitung:

Es soll ein System entwickelt werden, das in der Lage ist, innerhalb bestimmter Rahmenbedingungen durch eine heterogen katalytische Gasoxidation Wärmeenergie bereitzustellen. Diese Wärmeenergie soll nachfolgend in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Energieerzeugung wird in Abhängigkeit des Energiebedarfs gestartet. Das Projektziel ist die Entwicklung eines Kleinstmoduls. Dieses System soll für eine minimale Energieerzeugung ausgelegt werden.

Ziel der Diplomarbeit ist es, einen katalytischen Brenner mit der dafür erforderlichen Gaszufuhreinrichtung, unter Einhaltung der geforderten Rahmenbedingungen, zu entwickeln.

Die Erstellung der Dokumentation über die Entwicklung des Brenners sollen Angaben zum Wirkungsgrad in Abhängigkeit der mechanischen Abmessungen des Brenners sowie der Systemlebensdauer enthalten. Zu der Schnittstelle der Energieumwandlung (thermische Energie in elektrische Energie), dem Thermo/-Spannungswandler, sind im Rahmen dieser Arbeit keine Angaben möglich.

Gemäß Lastenheft sind für die Entwicklung des Energieerzeugungssystems folgende Rahmenbedingungen vorgegeben: 1. Die Lebensdauer des Systems soll größer als 10 Jahre sein. 2. Für die katalytische Verbrennung soll ein handelsübliches Gas, z.B. Butan, verwendet werden. 3. Der Gasbehälter sollte im Idealfall die Größen von 16,5 mm Durchmesser x 34 mm Länge oder 14,0 mm Durchmesser x 34 mm Länge nicht überschreiten.

Beschreibung des Gesamtsystems: Ein Mikroprozessor gibt im kritischen Entladezustand seines Versorgungskondensators ein Schaltsignal an das Entnahmeventil des Gasbehälters. Gas strömt durch die Rohrleitung und wird unter Luftsauerstoff-Zufuhr an der Oberfläche des Katalysators oxidiert.

Die durch die stöchiometrische Oxidation des Gases an der Katalysatoroberfläche entstehende Temperaturdifferenz T wird mit einem geeigneten Thermoelement erfaßt und in ein analoges Spannungssignal umgewandelt ("Seebeck-Effekt"). Sie löst beim Erreichen einer bestimmten Ladekapazität des Versorgungs-Kondensators im Mikroprozessor einen Schaltvorgang aus, der das Gasentnahmeventil schließt und damit die katalytische Oxidation beendet. Bei Unterschreiten einer kritischen Versorgungskapazität beginnt der Zyklus von neuem.

Gang der Untersuchung:

Zu Beginn des Projektes müssen einige grundlegende Vorüberlegungen und Abschätzungen bezüglich des eingesetzten Gases gemacht werden. Es soll ein geeignetes handelsübliches Gas ermittelt werden. Dazu ist ein Vergleich der Gaskenndaten und eine Bestimmung des vorhandenen Energieinhalts notwendig.

In einem zweiten Schritt sind die Möglichkeiten der Brennstoffzufuhr (Gas), unter Berücksichtigung des richtigen Verbrennungsverhältnisses mit Luftsauerstoff, zu ermitteln.

Als nächste Aufgabe steht die Auslegung einer zur Oxidation benötigten Reaktionskammer an. Hierbei sind die Rahmenbedingungen der Projektausschreibung zu beachten. Die Auslegung dieser Reaktionszelle soll die Bestimmung des Systemwirkungsgrades und die Systemlebensdauer beinhalten.

Inhaltsverzeichnis:

	Formelzeichen	III
	Indizes	V
1.	Projektbeschreibung	1
1.1	Ziel der Diplomarbeit	1
1.2	Konkrete Beschreibung des Gesamtsystems	1
1.3	Vorgehensweise	2
2.	Vorbetrachtungen	3
2.1	Abschätzung der Systemlebensdauer	3
2.1.1	Ausgangsdaten	3
2.1.2	Theoretische Systemlebensdauer	5
2.2	Zündung	6
2.2.1	Gasauswahl	6
2.2.2	Zündschaltung	7
2.3	Prinzipien der Gaszufuhr	8
3.	Treibstrahl-Förderprinzip	9
3.1	Bestimmung des Isentropenexponenten von iso-Butan	9
3.2	Treibstrahl-Förderer	10
3.2.1	Auslegung der Treibstrahldüse	15
3.2.2	Das kritische Druckverhältnis	16
3.2.3	Erste Größenschätzung der Treibdüsenmündung	20
3.2.4	Die maximal ausströmende Masse	21
3.2.5	Reale Größenschätzung der Treibdüsenmündung	22
3.2.6	Auslegung des gesamten Treibstrahlförderers	22
3.3	Ergebnisse: Treibstrahl-Förderprinzip	25
3.4	Beurteilung: Treibstrahl-Förderprinzip	26
4.	Katalytischer Butan-Diffusionsbrenner	27
4.1	Dimensionierung einer Druckdrossel	28
4.1.1	Porenweite – Filterfeinheit	29
4.1.2	Durchströmbarkeit	29
4.1.3	Versuch zur Durchströmbarkeit	30
4.1.4	Parameterstudie 1 (Filterdrosselelemente)	33
4.1.5	Berechnung der Reynoldszahl	35
4.1.6	Reale Druckdrossel: Parameterstudie 2	36
4.1.7	Hydraulischer Äquivalentdurchmesser	37
4.2	Prototypen zur Katalytischen Butan-Oxidation	38
4.3	Ermittlung der Brennerleistung	39
4.3.1	Meßinstrumente	39
4.3.2	Messung des Gasvolumenstromes	40
4.3.3	Druck- und Temperaturmessung	41
4.4	Leistungszufuhr	41
4.5	Leistungsabfuhr	42
4.6	Wirkungsgrad des Versuchsaufbaus	43
4.7	Abgasanalyse zur Ermittlung der Luftzahl	44
4.7.1	Ermittlung der Luftzahl	45
4.8	Abstand zwischen Thermoelement und Brenneraußenfläche	47
4.9	Systemlebensdauer: Katalytischer Butan-Diffusionsbrenner	47
4.9.1	Zusammenfassung der Ergebnisse: Diffusionsbrenner	49
4.9.2	Beurteilung: Katalytischer Butan-Diffusionsbrenner	49
5.	Ausblick	50
6.	LITERATURVERZEICHNIS	52
	ANHANG	53

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