Strömungs- und Temperaturverlauf um einen Abgaskamin

Eine typische Aufgabe bei der Planung z.B. von chemischen Anlagen oder Raffinerien ist die geeignete Positionierung von Hochfackeln oder Abgaskaminen. Wenn ein heißer Gasstrom austritt, vermischt sich dieser mit der Umgebungsluft und wird mittransportiert. Für die Positionierung benachbarter Anlagen oder Gebäude ist es daher wichtig zu wissen, wie sich dieser heiße Abgasstrom ausbreitet und in welcher Entfernung von der Hochfackel welche Temperaturen auftreten.

Eine Möglichkeit der Abschätzung ist die Verwendung analytischer Modelle. Es gibt verschiedene Modelle, um die Durchmischung verschiedener Gasströme mit unterschiedlichen Temperaturen zu bestimmen. Diese liefern aber in der Regel nur für stark vereinfachte Konfigurationen brauchbare Ergebnisse. Umliegende Gebäude können aber sowohl die Windrichtung als auch die resultierenden Windgeschwindigkeiten stark beeinflussen. Durch Anwendung numerischer Computer-Modelle (CFD = Computational Fluid Dynamics) können das Strömungsfeld und die daraus resultierende Temperaturverteilung berechnet werden. Dies erlaubt zudem die schnelle und einfache Untersuchung verschiedener Windrichtungen oder Windgeschwindigkeiten.

Das dargestellte Beispiel zeigt beispielhaft die Simulation der Durchmischung eines heißen Abgasstrahls mit einer Temperatur von T = 1000°C aus einem Kamin mit der Umgebungsluft in einer Ebene. Der Abgasvolumenstrom ist V = 160000 m³/h. Die Windgeschwindigkeit beträgt w = 10 km/h.

•  Die Geschwindigkeitsverteilung in einer 10 m vom Kamin entfernten Ebene ist auf dem ersten Bild (s.u.) dargestellt.
•  Das zweite Bild zeigt die Geschwindigkeitsverteilung. Durch den Kamin wird die Strömung stark beeinflusst. Es kommt zu Verwirbelungen im Nachlauf.
•  Das dritte Bild beinhaltet Stromlinien des Abgasstromes, die mit der Temperatur eingefärbt sind. Die transparente Isofläche ist eine Isotherme mit T = 100°C.
•  Die Isotherme ist auf Bild 4 nochmals im Detail dargestellt. Unter diesen Randbedingungen reicht die Isotherme von T = 100°C ca. 53m weit.
•  Auf Bild 5 ist die Temperaturverteilung in einer Ebene 10m vom Kamin entfernt dargestellt. Hier tritt immer noch eine Maximaltemperatur um T = 270°C auf.

Diese Ergebnisse lassen Rückschlüsse darauf zu, wo in der Umgebung des Kamins ein Gebäude errichtet werden kann oder ob z.B. der Kamin höher gebaut werden muss. Das hier dargestellte Modell ist sehr einfach gehalten. Eine Erhöhung der Komplexität durch die Berücksichtigung der Geländetopologie oder durch umliegende Gebäude ist ohne weiteres möglich.