FG Thermische Energietechnik
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BTU
EBSILON®Professional ist ein leistungsfähiges Modellierungssystem, welches zur Simulation von thermodynamischen Kreisprozessen entwickelt wurde.
Es eignet sich als Hilfsmittel bei der Anlagenplanung, -auslegung und -optimierung von thermischen Kraftwerken mit einem Wasserdampf-Prozess oder einem Gasturbinen-Prozess sowie Anlagen mit erneuerbaren Energien (Biomasse, Windenergie, Solarenergie und Geothermie).
Die Einführung beschreibt die Grundprinzipien und die Arbeitsschritte zur Erstellung eines Modells der Anlage. Weiterhin wird die Arbeit mit der internen Programmierungsumgebung EbsScript und der Umgang mit der Berechnung von Zeitreihen vorgestellt.
In der vorliegenden Arbeit werden die Modellierung und die numerische Simulation vonStrömung, Wärme- und Stofftransport zur Abbildung eines Trocknungsprozesses vonBraunkohlepartikeln in einer blasenbildenden Wirbelschicht behandelt. Hierbei wird dasEuler–Euler Two Fluid Model zugrunde gelegt und die Beschreibung des Fließverhaltensder Feststoffphase mittels der Kinetic Theory of Granular Flow realisiert. Ausgehend voneinem Überblick zum aktuellen Stand der Forschung wird der Bedarf nach einer geeigne-ten Konfiguration von Modellparametern und Submodellen hinsichtlich der Strömungs-modellierung sowie nach der Implementierung eines Trocknungsmodells abgeleitet und alsZielsetzung formuliert.Experimentelle Voruntersuchungen an einer Wirbelschichtanlage im Labormaßstab schaf-fen die Datenbasis für die spätere Validierung des Modells. Dabei erfolgt zunächst eineBetrachtung einzelner Zustandspunkte von diskontinuierlichen Trocknungsprozessen, umdie darin auftretenden, strömungstechnischen Veränderungen zu quantifizieren. Zur Be-wertung werden die makroskopischen Eigenschaften sowie Charakteristiken meso- undmikroskaliger Strömungstrukturen herangezogen, die sich aus der Analyse von Druckfluk-tuationen ergeben. Des Weiteren werden die Trocknungsverläufe mehrerer Chargen fürverschiedene Betriebsparameter aufgezeichnet.In einem ersten Untersuchungsschwerpunkt werden ausschließlich strömungsmechanischeAspekte fokussiert. Auf Basis umfangreicher Sensitivitätsanalysen zu den Einflüssen derrheologisch relevanten Parameter, der Impulsaustauschfunktion einschließlich der Parti-kelsphärizität und der Randbedingungen für Behälterwand und Gaseinlass, sowie durchVergleiche mit den experimentellen Daten wird eine Parameterkonfiguration des Strö-mungsmodells vorgeschlagen. Die damit erzielten Ergebnisse sind insgesamt zufriedenstel-lend und geben die beobachteten Veränderungen im Trocknungsprozess korrekt wieder.Ursachen für bestehende Abweichungen zum Experiment werden diskutiert.Im zweiten Untersuchungsschwerpunkt wird der gesamte Trocknungsprozess betrachtet.Hierzu werden Wärme- und Stofftransportmechanismen innerhalb des Modells berücksich-tigt, wobei die eigens implementierte Trocknungskinetik auf Ebene der Partikel ansetzt.Die Einflüsse der Sphärizität und zwei verschiedener Formulierungen zur Berechnung derWärme- und Stoffübergangskoeffizienten werden untersucht. Für den favorisierten Para-metersatz werden die Simulationen mit einem expliziten Vorwärtsverfahren gekoppelt,wodurch die Trocknungsverläufe auf makroskopischer Zeitskale approximiert und somitmit den experimentellen Daten verglichen werden können. Es wird gezeigt, dass das vor-geschlagene Gesamtmodell die Trocknungsverläufe bei niedrigen bis mäßigen Leerrohrge-schwindigkeiten zuverlässig abbilden kann. Auftretende Diskrepanzen werden diskutiertund weiterer Entwicklungsbedarf abgeleitet.V
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Berechnungsmodell zur thermisch-geometrischen Dimensionierung eines kontinuierlich arbeitenden Druck-Wirbelschicht-Verdampfungs-Trockners mit Tauchheizflächen für polydisperse Braunkohle erstellt. Zunächst wurde auf Basis experimenteller Ergebnisse eine strukturell optimierte Grundgleichung zur Beschreibung des zeitlichen Feuchteverlaufes entwickelt. Dabei wurden die Besonderheiten des Trocknungsgutes (z.B. die Polydispersität und die Ausbildung einer Gleichgewichtsfeuchte) berücksichtigt. Mit Hilfe der für den Trockner aufgestellten Energiebilanzen wurde ein Modell zur Beschreibung des zeitlichen Verdampfungstrocknungsverlaufes entwickelt. Dabei wurde auch der Einfluss des Druckes in den Subgleichungen und Stoffwertberechnungen berücksichtigt. (Der Überdruck ist einer der Hauptunterschiede der DDWT zu zahlreichen anderen Trocknungsverfahren). Weiterführend wurde unter Anwendung der Gleichungen zur Beschreibung der wirbelschicht-bedingten asymmetrischen Verweilzeitverteilung ein Gesamtmodell – das Trockner-Auslegungs-Modell (TRAM) – entwickelt und die Modellarchitektur detailliert beschrieben.
In diesem Beitrag wird ein Flammenbewertungsverfahren auf Basis eines Flammenwächtersignals vorgestellt. Mit zunehmender Flexibilisierung der Verbrennungsanlagen und der Absenkung von Emissionsgrenzwerten wird eine unmittelbare Flammenanalyse für die Regelung der Brennersysteme zunehmend erforderlich. Auf Basis eines Flammenwächtersignals wird mittels Frequenzanalyse ein ergänzendes Auswertungsverfahren dargestellt. Anhand der vorgestellten Untersuchungen an einem Erdgas-/Kohle-Kombibrenner wird die Qualifizierung der Prozessmesstechnik für die Flammenbewertung und Brennersteuerung überprüft. Die Ergebnisse im Erdgas- und Kohlebetrieb belegen, dass mit der erweiterten Signalanalyse eine Veränderung des Flammenverhaltens mit dem Flammenwächtersignal in Zusammenhang gebracht werden kann. Dabei konnte einmal das Emissionsverhalten bei verschiedenen Brennereinstellungen beurteilt werden und andererseits ein Zugriff auf das Stabilitätsverhalten der Kohleflamme ermöglicht werden. Durch die Analyse des Strahlungssignals der Chemilumineszenz des OH* bzw. CH*-Radikals ist ein Bezug zur Veränderung in der Reaktionszone hergestellt. Die entwickelte Bewertungsmethodik kann für die Entwicklung und Etablierung von Beobachter- und Regelmodellen von Brennersystemen genutzt werden.