Kuumailmapolttolaitteiston numeerinen virtausmallinnus

Tämä diplomityö perustuu Lappeenrannan teknillisen yliopiston Uusiutuvien energiajärjestelmien laboratorion koelaitteistoon, jolla tutkitaan voimakkaan savukaasunkierrätyksen ja kuumailmapolton soveltuvuutta pienen kokoluokan energiantuotantoprosesseihin. Työn teoriaosassa esitellään tavanomaisesta palamisesta eroavaa kuumailmapolttoa ja tarkastellaan sen ominaisuuksia. Myös työssä käytetyn tutkimusmenetelmän, numeerisen virtauslaskennan, periaatteita ja ominaisuuksia tarkastellaan. Työssä tutkitaan numeerisella virtausmallinnuksella kuumailmapolttolaitteiston virtauskentän käyttäytymistä, kun takaisin tulipesään kierrätettävän savukaasun määrä sekä tulipesän lämpöhäviöiden suuruus vaihtelevat. Virtauskentän tarkastelu on tärkeää, sillä palamisilman ja kierrätetyn savukaasun täytyy sekoittua kuumailmapolton aikaansaamiseksi. Työn virtausmallinnus suoritettiin Finflo-virtausratkaisijalla kaksiulotteisena palamisreaktioita mallintamatta. Vaikka työssä käytetyt mallit olivat kaksiulotteisia ja niissä käytettiin yksinkertaistuksia, virtausten käyttäytymisestä tulipesässä saatiin olennaista tietoa, jota voidaan mahdollisesti hyödyntää jatkotutkimuksissa.

This thesis is based on a test rig in Lappeenranta University of Technology’s Sustainable Energy Systems laboratory, which is used to study the suitability of powerful flue gas recirculation and high temperature air combustion (HiTAC) to small scale energy generation processes. The theoretical chapters of the thesis introduce HiTAC and the characteristics which differ from conventional combustion. The principals and characteristics of the research method used, computational fluid dynamics, is also discussed. In the thesis CFD is used to elucidate the velocity field behavior in the HiTAC test rig when the amount of recirculated flue gas to the furnace and the amount of heat losses in the furnace are varied. Velocity fields behavior is crucial because combustion air and the flue gases have to mix in order to achieve HiTAC-flame. The thesis’ CFD was performed with Finflo-solver in a two-dimensional set-up without modeling the combustion. Although the models used were two-dimensional and some simplifications were made, substantive information on velocity fields behavior in the furnace was gained, which can be utilized in prospective studies.