Entwicklung niederdimensionaler Modelle zur Berechnung gasbeheizter Mantelstrahlrohre

Diese Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik an der TU Bergakademie Freiberg. Sie befasst sich mit der Modellierung gasbeheizter Mantelstrahlrohre. Zur Analyse der hydrody- und thermodynamischen Phänomene innerhalb und außerhalb des zweistufigen Drallbrenners mit Diffusionsflamme und interner Abgasrezirkulation werden validierte 3D-CFD Studien eingesetzt. Es erfolgt die Unterteilung in fünf Bereiche: die zwei Rekuperatoren, die Verbrennungszonen, die 180° Umlenkung und der Ofenraum. Zur Beschreibung des Wärmeleitprozesses im Ofen werden fraktionelle Differentiale mit den Randbedingungen von Konvektion und Strahlung gelöst. Es erfolgt die inverse Parameterschätzung unbekannter Werkstoffeigenschaften der Ofenmaterialien mittels der Jaya-Optimierung. Unter Berücksichtigung der Kopplung an die Prozessraumbedingungen werden Geometrieänderungen der Umlenkung analysiert. Dabei erfolgt die Berechnung im Umlenkbereich analytisch als Lösung der N.-St. Gleichungen sowie der Wärmeleitungsgleichung mittels FDM in drei Koordinatensystemen: eben, zylindrisch und quasi-toroidal. Das Abgasrezirkulat wird analytisch aus der Impulsbilanz für koaxiale Freistrahlen bestimmt. Ein allgemeingültiges reduziertes Modell für Wärmeübertrager im Gegenstromprinzip wird ebenfalls entwickelt. Es wird die Möglichkeit geschaffen sowohl Geometriestudien zur Auslegung berechnen als auch Optimierungsfragen beantworten zu können.