20.500.12556/DKUM-93113 Modeling of a premixed hydrogen-air combustion in a gas condensing boiler doctoral dissertation Modeliranje zgorevanja predmešanega vodika in zraka v plinskem kondenzacijskem kotlu doktorska disertacija This work addresses the urgent need for decarbonization of heating sector, focusing on the potential of hydrogen-air combustion in gas condensing boilers. In the field of gas condensing boilers, groups of holes or slits can be used in perforated burner surfaces, providing a possible solution to the challenge of hydrogen air combustion. Real burners are always adjacent to an area with non-existent combustion, which can lead to a disturbed flame pattern. For this reason, a comparison between single-slit and multi-slit perforated flame holders with a significantly reduced structure temperature with a hydrogen-air premix is carried out as part of this study. Using Ansys Fluent, a 2D simulation approach is employed to analyze laminar flame stability behind a perforated flame holder. Inlet conditions consider fully premixed and homogenous distributed mixtures as well as non-homogeneous premixed mixtures, with variations in pressure, velocity, and mixing degree. The model examines various slit-burner configurations and flashback behaviors based on an actual geometric shape used in a gas heating device. It has been found that with finite multi-slit burners, the bulk flow rates at the critical flashback point are 30-50% higher compared to infinitely symmetrical burners. A further deterioration of 32% is to be expected due to real mixture quality fluctuations and inhomogeneous inflow conditions. The numerical model was validated using a prototype heat exchanger and a production-ready mixture preparation system in combination with various burner geometries. From a practical standpoint, the results provide clear guidance for burner design. Long and narrow holes with moderate spacing -ideally at least one diameter apart- promote flame stability while maintaining a compact configuration. In clustered geometries, optimizing the number of flow passages can prevent local overheating and enhance operational robustness. For complex or thermally sensitive geometries, the use of 3D CFD simulations with conjugate heat transfer (CHT) coupling is strongly advised to ensure accurate and safe designs. Additionally, at higher air excess ratios, the current numerical model becomes less accurate due to intensified preferential diffusion and Soret effects, highlighting the need for a 3D CFD approach using the Konnov reaction mechanism. Finally, the findings demonstrate the model's potential for designing efficient surface stabilized burners and lay the groundwork for future 3D simulations in the pursuit of sustainable heating solutions. To delo obravnava nujno potrebo po razogljičenju ogrevalnega sektorja, pri čemer se osredotoča na možnosti izgorevanja vodika in zraka v plinskih kondenzacijskih kotlih. Na področju plinskih kondenzacijskih kotlov se lahko v perforiranih površinah gorilnika uporabijo skupine lukenj ali rež, kar predstavlja možno rešitev izziva izgorevanja vodika in zraka. Gorilniki pogosto mejijo na območje z neobstoječim zgorevanjem, kar lahko povzroči moten vzorec plamena. Zato je v okviru te študije izvedena primerjava med perforiranimi držali plamena z enim in več režami z znatno znižano temperaturo zmesi vodika in zraka. Za analizo stabilnosti laminarnega plamena za perforiranim držalom nosilcem plamena je uporabljen pristop 2D simulacije s programom Ansys Fluent. Pri vstopnih pogojih so upoštevane popolnoma predmešane in homogeno porazdeljene mešanice ter nehomogene predmešane mešanice s spremembami tlaka, hitrosti in stopnje mešanja. Model preučuje različne konfiguracije gorilnika z režami in obnašanje plamena na podlagi dejanske geometrijske oblike, ki se uporablja v napravi za zogrevanje plina. Ugotovljeno je bilo, da so pri končnih gorilnikih z več režami masovni pretoki na kritični točki povratnega valovanja za 30-50% večji v primerjavi z neskončno simetričnimi gorilniki. Zaradi dejanskih nihanj kakovosti zmesi in nehomogenih pogojev dotoka je mogoče pričakovati nadaljnje poslabšanje za 32%. Numerični model je bil potrjen z uporabo prototipnega izmenjevalnika toplote in sistema za pripravo zmesi, pripravljenega za proizvodnjo, v kombinaciji z različnimi geometrijami gorilnikov. S praktičnega vidika so rezultati jasna navodila za načrtovanje gorilnikov. Dolge in ozke luknje z zmernim razmikom - v idealnem primeru vsaj en premer narazen - omogočajo stabilnost plamena, hkrati pa ohranjajo kompaktno konfiguracijo gorilnika. Pri geometrijskih sklopih lahko optimizacija števila pretočnih kanalov prepreči lokalno pregrevanje in izboljša robustnost delovanja. Pri zapletenih ali toplotno občutljivih geometrijah se za zagotovitev natančnih in varnih zasnov močno priporoča uporaba 3D simulacij CFD s konjugiranim prenosom toplote (CHT). Poleg tega pri višjih razmerjih presežka zraka postane trenutni numerični model manj natančen zaradi okrepljene preferenčne difuzije in Soretovih učinkov, kar poudarja potrebo po pristopu 3D CFD z uporabo Konnovega reakcijskega mehanizma. Nazadnje ugotovitve kažejo na potencial modela za načrtovanje učinkovitih površinsko stabiliziranih gorilnikov in postavljajo temelje za prihodnje 3D simulacije pri iskanju trajnostnih rešitev za ogrevanje. CFD hydrogen combustion flashback flame stability perforated flame holder gas condensing boiler experimental flashback measurements CFD zgorevanje vodika povratni val stabilnost plamena perforirano držalo plamena plinski kondenzacijski kotel eksperimentalne meritve povratnega vala true true false [M. Jäger] Angleški jezik Slovenski jezik Doktorsko delo/naloga 2025-06-06 10:20:05 2026-01-20 09:38:18 2026-01-28 03:12:51 0000-00-00 00:00:00 2025 0 Maribor 0 Maribor XXI, 190 str. 0000-00-00 NiDoloceno NiDoloceno NiDoloceno 0000-00-00 0000-00-00 0000-00-00 [662.61:662.769.2]:697.245(043.3) 266347523 DOK_Jäger_Marc_2025.pdf DOK_Jäger_Marc_2025.pdf 1 DBE9360F4BE732A73282CBF31E014DF0 1cd8267124272d7d88fe51fe03a53128e946a8c1c527977a8f8008f75aa92885 c5035b26-e49c-11f0-8d4b-00155d580e02 https://dk.um.si/Dokument.php?lang=slv&id=201752 Fakulteta za strojništvo 0 0 0