@phdthesis{Wiedemann2019, author = {Wiedemann, Philipp}, title = {Modellierung und numerische Simulation der konvektiven Trocknung von Braunkohlepartikeln in einer blasenbildenden Wirbelschicht}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48439}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2019}, abstract = {In der vorliegenden Arbeit werden die Modellierung und die numerische Simulation von Str{\"o}mung, W{\"a}rme- und Stofftransport zur Abbildung eines Trocknungsprozesses von Braunkohlepartikeln in einer blasenbildenden Wirbelschicht behandelt. Hierbei wird das Euler-Euler Two Fluid Model zugrunde gelegt und die Beschreibung des Fließverhaltens der Feststoffphase mittels der Kinetic Theory of Granular Flow realisiert. Ausgehend von einem {\"U}berblick zum aktuellen Stand der Forschung wird der Bedarf nach einer geeigneten Konfiguration von Modellparametern und Submodellen hinsichtlich der Str{\"o}mungsmodellierung sowie nach der Implementierung eines Trocknungsmodells abgeleitet und als Zielsetzung formuliert. Experimentelle Voruntersuchungen an einer Wirbelschichtanlage im Labormaßstab schaffen die Datenbasis f{\"u}r die sp{\"a}tere Validierung des Modells. Dabei erfolgt zun{\"a}chst eine Betrachtung einzelner Zustandspunkte von diskontinuierlichen Trocknungsprozessen, um die darin auftretenden, str{\"o}mungstechnischen Ver{\"a}nderungen zu quantifizieren. Zur Bewertung werden die makroskopischen Eigenschaften sowie Charakteristiken meso- und mikroskaliger Str{\"o}mungstrukturen herangezogen, die sich aus der Analyse von Druckfluktuationen ergeben. Des Weiteren werden die Trocknungsverl{\"a}ufe mehrerer Chargen f{\"u}r verschiedene Betriebsparameter aufgezeichnet. In einem ersten Untersuchungsschwerpunkt werden ausschließlich str{\"o}mungsmechanische Aspekte fokussiert. Auf Basis umfangreicher Sensitivit{\"a}tsanalysen zu den Einfl{\"u}ssen der rheologisch relevanten Parameter, der Impulsaustauschfunktion einschließlich der Partikelsph{\"a}rizit{\"a}t und der Randbedingungen f{\"u}r Beh{\"a}lterwand und Gaseinlass, sowie durch Vergleiche mit den experimentellen Daten wird eine Parameterkonfiguration des Str{\"o}mungsmodells vorgeschlagen. Die damit erzielten Ergebnisse sind insgesamt zufriedenstellend und geben die beobachteten Ver{\"a}nderungen im Trocknungsprozess korrekt wieder. Ursachen f{\"u}r bestehende Abweichungen zum Experiment werden diskutiert. Im zweiten Untersuchungsschwerpunkt wird der gesamte Trocknungsprozess betrachtet. Hierzu werden W{\"a}rme- und Stofftransportmechanismen innerhalb des Modells ber{\"u}cksichtigt, wobei die eigens implementierte Trocknungskinetik auf Ebene der Partikel ansetzt. Die Einfl{\"u}sse der Sph{\"a}rizit{\"a}t und zwei verschiedener Formulierungen zur Berechnung der W{\"a}rme- und Stoff{\"u}bergangskoeffizienten werden untersucht. F{\"u}r den favorisierten Parametersatz werden die Simulationen mit einem expliziten Vorw{\"a}rtsverfahren gekoppelt, wodurch die Trocknungsverl{\"a}ufe auf makroskopischer Zeitskale approximiert und somit mit den experimentellen Daten verglichen werden k{\"o}nnen. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene Gesamtmodell die Trocknungsverl{\"a}ufe bei niedrigen bis m{\"a}ßigen Leerrohrgeschwindigkeiten zuverl{\"a}ssig abbilden kann. Auftretende Diskrepanzen werden diskutiert und weiterer Entwicklungsbedarf abgeleitet.}, subject = {Numerische Str{\"o}mungssimulation; Wirbelschicht; Trocknung; Braunkohle; Two Fluid Model; Computational fluid dynamics; Fluidized bed; Drying; Lignite; Two Fluid Model; Braunkohle; Konvektionstrocknung; Wirbelschichtverfahren; Numerische Str{\"o}mungssimulation}, language = {de} } @phdthesis{Merzsch2019, author = {Merzsch, Matthias}, title = {W{\"a}rme{\"u}bergang und Druckverlust bei der Kondensation von Wasserdampf im horizontalen Rohr bei Dr{\"u}cken bis 10 bar}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-50775}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2019}, abstract = {In der vorliegenden Arbeit wird die Kondensation von Wasserdampf im horizontalen Rohr bei Dr{\"u}cken bis 10 bar im Hinblick auf das W{\"a}rme{\"u}bertragungsverhalten und die entstehenden Druckdifferenzen untersucht. Um hierf{\"u}r eine entsprechende Ausgangsbasis zu schaffen, werden im ersten Teil der Arbeit die bereits ver{\"o}ffentlichten experimentellen Untersuchungen zum Thema zusammengefasst und diskutiert. Anschließend werden die vorhandenen theoretischen Grundlagen der Hydrodynamik von Zweiphasenstr{\"o}mungen sowie zum W{\"a}rme{\"u}bertragungsverhalten dargelegt. Dabei wird jeweils auf die bestehenden Schwierigkeiten bei der physikalischen Beschreibung der Ph{\"a}nomene und damit einhergehenden Unsicherheiten bei der Berechnung von Zielgr{\"o}ßen aufmerksam gemacht. Zur Berechnung des Reibungsdruckverlustes werden die Modelle von Friedel und Lockhart/Martinelli und zur Berechnung des W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten die Modelle von Thome, Shah, Cavallini, Numrich/M{\"u}ller, Dobson/Chato sowie Huhn gegen{\"u}bergestellt. Der eigentliche Schwerpunkt der Arbeit liegt daran anschließend bei der experimentellen Bestimmung der beiden Zielgr{\"o}ßen - spezifischer Druckverlust und W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizient - bei absoluten Sattdampfdr{\"u}cken zwischen 4…10 bar und Eintrittsgeschwindigkeiten bis 21,5 m/s. Die Entwicklung und die Errichtung der hierzu erforderlichen Versuchsapparatur erfolgten im Rahmen dieser Arbeit. Mit acht geometrisch identischen Doppelrohrw{\"a}rme{\"u}bertragern (Innendurchmesser Kondensationsrohr: 20,5 mm) lassen sich die ben{\"o}tigten lokalen Temperaturinformationen in Abh{\"a}ngigkeit des Kondensationsfortschrittes generieren, indem unter Konstanthalten der Ein- bzw. Austrittsbedingungen (Sattdampfdruck und -massenstrom, K{\"u}hlwassertemperatur und -durchsatz) die Anzahl durchstr{\"o}mter W{\"a}rme{\"u}bertrager variiert wird. Mit in Summe 63 Versuchspunkten bei drei Druckstufen und jeweils f{\"u}nf Eintrittsgeschwindigkeiten werden 15 W{\"a}rme{\"u}bergangs- und Druckverlustverl{\"a}ufe als Funktion des Kondensatanteils bzw. der Rohrl{\"a}ngskoordinate ermittelt. Der Vergleich der experimentellen Befunde mit den vorgestellten und bekannten Theorien zeigt zum Teil starke Abweichungen und nicht wiedergegebene Abh{\"a}ngigkeiten. Die mittleren relativen Abweichungen zwischen experimentellen und von den bestehenden Modellvorstellungen berechneten W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten liegen zwischen 16…42 \%. Ausgehend von den experimentellen Befunden dieser Arbeit werden Berechnungsgleichungen f{\"u}r den lokalen W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten sowie den spezifischen Druckverlust entwickelt. Der dar{\"u}ber hinaus durchgef{\"u}hrte Abgleich mit experimentellen Befunden aus der Literatur f{\"u}hrt dazu, dass ein breiterer Parameterbereich erfasst wird, als der in dieser Arbeit experimentell untersuchte. Die entwickelten Berechnungsmodelle erm{\"o}glichen eine deutlich bessere Vorhersage von W{\"a}rme{\"u}bergang und Druckverlust als die bestehenden Modellvorstellungen. Aufgrund der komplexen Ph{\"a}nomenologie des Kondensationsprozesses im horizontalen Rohr bleibt eine Extrapolation dennoch mit Risiken verbunden. Die empfohlene Vorgehensweise zur Weiterentwicklung des Wissensstandes auf diesem Gebiet wird im Ausblick der Arbeit gegeben.}, subject = {Kondensation; W{\"a}rme{\"u}bergang; Druckverlust; Wasserdampf; Horizontales Rohr; Condensation; Heat transfer; Pressure loss; Steam; Horizontal pipe; Kondensatorrohr; Wasserdampf; Kondensation; W{\"a}rme{\"u}bergang; Druckabfall}, language = {de} } @phdthesis{Posselt2019, author = {Posselt, Joachim}, title = {Entwicklung eines Berechnungsmodells zur thermisch-geometrischen Dimensionierung eines Druck-Wirbelschicht-Verdampfungstrockners mit Tauchheizfl{\"a}chen am Beispiel polydisperser Braunkohle}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-47062}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2019}, abstract = {Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Berechnungsmodell zur thermisch-geometrischen Dimensionierung eines kontinuierlich arbeitenden Druck-Wirbelschicht-Verdampfungs-Trockners mit Tauchheizfl{\"a}chen f{\"u}r polydisperse Braunkohle erstellt. Zun{\"a}chst wurde auf Basis experimenteller Ergebnisse eine strukturell optimierte Grundgleichung zur Beschreibung des zeitlichen Feuchteverlaufes entwickelt. Dabei wurden die Besonderheiten des Trocknungsgutes (z.B. die Polydispersit{\"a}t und die Ausbildung einer Gleichgewichtsfeuchte) ber{\"u}cksichtigt. Mit Hilfe der f{\"u}r 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 ber{\"u}cksichtigt. (Der {\"U}berdruck ist einer der Hauptunterschiede der DDWT zu zahlreichen anderen Trocknungsverfahren). Weiterf{\"u}hrend 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.}, subject = {Dampfwirbelschicht-Trocknung; Verdampfungstrocknung; Wirbelschicht; Trocknungsmodelle; Asymmetrische Verweilzeitverteilung; Steam fluidized bed drying; Evaporation drying; Fluidized bed; Drying models; Asymmetric residence time distribution; Braunkohle; Trocknung; Wirbelschichtverfahren; Verweilzeitverteilung}, language = {de} } @phdthesis{Israel2016, author = {Israel, Johannes}, title = {Sabatierbasierte autothermale katalytische Rauchgasmethanisierung im Technikumsmaßstab und R{\"u}ckverstromung im BHKW}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-41467}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2016}, abstract = {Es konnte gezeigt werden, dass die direkte Methanisierung des Kohlenstoffanteils aus Rauchgas auf Grundlage der Sabatier-Reaktion im Rahmen des Power-to-Gas Ansatzes unter realen Bedingungen im Technikumsmaßstab m{\"o}glich ist. Es wurde ein Durchsatz von knapp 235 kg/d CO2 bei einer Gesamtraumgeschwindigkeit der Eduktgase von ca. 1500 h-1, was einem Durchfluss von 45 Nm³/h bei einem Reaktorvolumen von 30 dm³ entspricht, erreicht. Dabei wurde das Kohlenstoffdioxid direkt, ohne weitere Aufarbeitung des Rauchgases, mit mindestens 60\% Umsatz katalytisch zu Methan reduziert. Daf{\"u}r wurde ein Katalysator auf Nickelbasis verwendet. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass f{\"u}r eine autotherme Betriebsweise der Methanisierung von Rauchgas der Sauerstoffanteil im Rauchgas eine notwendige Voraussetzung darstellt. Es hat sich dabei herausgestellt, dass das vorliegende Intervall von 4 - 6 Vol \% Sauerstoffanteil im Rauchgas aus konventionellen Braunkohlekraftwerken genau in dem notwendigen Bereich liegt, der f{\"u}r eine ausgeglichene W{\"a}rmebilanz sorgt. Die bei der Wasserstoff-Sauerstoffreaktion zus{\"a}tzlich frei werdende W{\"a}rme gleicht den k{\"u}hlenden Effekt des mitgetragenen Stickstoffes genau aus, wodurch die f{\"u}r die Sabatier-Reaktion ben{\"o}tigte Temperatur von mindestens 300 °C aufrechterhalten werden kann. Ohne den Sauerstoff k{\"o}nnte die Methanisierung nicht autotherm betrieben werden. Zudem ist die Reaktion selbstregulierend, die Reaktionstemperatur l{\"a}uft auf einen oberen Grenzwert von etwa 600 °C hinaus, wodurch Ums{\"a}tze von 60\% nicht unterschritten werden. Bei niedrigeren Temperaturen von ca. 400 °C konnten auch Ergebnisse von {\"u}ber 90\% CO2 Umsatz im Rauchgas erreicht werden. Diese Ergebnisse konnten sowohl unter Laborbedingungen, d.h. mit aus technischen Gasen synthetisch hergestelltem Rauchgas, gemessen werden, als auch mit realem Rauchgas direkt am Kraftwerk vor Ort reproduziert werden. Das bei der Rauchgasmethanisierung entstehende Produktgas weist eine Energiedichte von ca. 5 MJ/Nm³ auf, womit es zu den Schwachgasen gez{\"a}hlt wird. Hier konnte der Nachweis erbracht werden, dass eine Nutzung des Produktgases in einem R{\"u}ckverstromungskonzept mittels eines dezentralen Blockheizkraftwerkes, welches mit einem herk{\"o}mmlichen Wankelmotor betrieben wird, m{\"o}glich ist. Das "Proof of Principle" f{\"u}r einen geschlossenen CO2 Kreislauf unter realen Bedingungen mittels der Sabatier Reaktion wurde somit erbracht und l{\"a}dt dazu ein, diesen Weg weiter zu verfolgen.}, subject = {Sabatier; Methanisierung; Energiespeicher; Rauchgas; Kohlendioxid; Blockheizkraftwerk; Wasserstoff; BHKW; CCU; CHP; Energy storage; Carbon dioxid; Methanation; Flue gas; Sabatier; Hydrogen; CCU; Power-to-Gas; Combines heat and power plant; Rauchgasreinigung; Kohlendioxidemission; Methanisierung; Blockheizkraftwerk}, language = {de} } @phdthesis{Rachow2017, author = {Rachow, Fabian}, title = {Prozessoptimierung f{\"u}r die Methanisierung von CO₂ - vom Labor zum Technikum}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-42625}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2017}, abstract = {In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine direkte Methanisierung von CO₂, die {\"u}ber die Sabatier-Gleichung, CO₂ + 4H₂ ↔ CH₄ + 2H₂O, beschrieben wird, im Labor- und im Technikums-Maßstab unter Variation verschiedenster Bedingungen realisierbar ist. Die Sabatier-Reaktion findet beschleunigt unter dem Einsatz von Katalysatoren statt. Unterschiedliche kommerzielle Katalysatoren auf Nickel und Ruthenium-Basis konnten auf ihrer Eignung f{\"u}r die Methanisierung untersucht werden und mit im Labor pr{\"a}parierte Katalysatoren verglichen werden. Relevante Gr{\"o}ßen zur Beschreibung der Aktivit{\"a}t der Katalysatoren ist der Umsatz an CO₂, die Ausbeute an CH₄ und die Selektivit{\"a}t bez{\"u}glich der Sabatier-Reaktion. Im Labor wurden Ums{\"a}tze und Ausbeuten von {\"u}ber 90\% und Selektivit{\"a}ten von nahezu 100\% gemessen. Durch eine {\"A}nderung der Temperatur, der Eingangsmenge an Gasen, der Katalysatormenge und des Druckes k{\"o}nnen die optimalen Prozessbedingungen f{\"u}r die Reaktion spezifiziert werden. Eine weitere Betrachtung galt der Messung mit synthetischen und realen Abgasen (Oxyfuel, CCS) und darauf bezogen, der Einfluss einer Verd{\"u}nnung des CO₂ durch Stickstoff und Sauerstoff und der Rolle von bekannten Katalysatorgiften wie Schwefel- oder Stickoxiden. Es konnte ein Zusammenhang zwischen der St{\"a}rke der Verunreinigung an Schwefel, der Reaktortemperatur und der Abnahme der katalytischen Aktivit{\"a}t ermittelt werden. Die Produktion von Kohlenmonoxid gibt zus{\"a}tzlich Aufschluss {\"u}ber stattfinden Teil-und Nebenreaktionen. Ergebnisse in der Laboranlage konnten zum Teil f{\"u}r den Aufbau einer Technikumsanlage, welche eine Vergr{\"o}ßerung zum Labor um den Faktor 5000 darstellt, genutzt werden. Eine Zahl von Experimenten wurde im Technikum wiederholt. Die Technikumsanlage ist dabei in der Lage ca. 250 kg CO₂ pro Tag aus CO₂-haltigen Abgasen in Methan umzuwandeln. Ein erweiterter Praxisbezug stellte die Einbindung des Technikums in einem Kraftwerk dar und die Messung mit realem Rauchgas. Ohne zus{\"a}tzliche Reinigungsschritte des Abgases konnten auch hier Ums{\"a}tze von 90\% erreicht werden. Eine komplexe Temperaturentwicklung und Erh{\"o}hung auf 600°C im Reaktor wurde aufgezeichnet und f{\"u}hrt dabei zur Abnahme des Umsatzes auf ca. 60\%. Bei diesen Temperaturen stellt sich ein Gleichgewicht zwischen, durch die exotherme Reaktion, erzeugter und abgef{\"u}hrter W{\"a}rme ein. Als Reaktionsprodukt wird ein Schwachgas erhalten, welches f{\"u}r die R{\"u}ckverstromung eingesetzt werden kann. In der Methanisierung von CO₂ besteht die M{\"o}glichkeit das CO₂ in einen Kreislauf (Power-to-Gas) zu binden und so die Emission von Treibhausgasen zu mindern. Das erzeugte Methan fungiert als chemischer Energiespeicher und tr{\"a}gt zur Stabilisierung des Stromnetzes bei.}, subject = {Katalyse; Methanisierung; Energiespeicher; Erneuerbare Energien; CO2-Nutzung; Catalysis; Methanation; Energy storage; Renewable energy; Carbon capture and storage (CCS); Methanisierung; Katalysator; Carbon dioxide capture and utilization; Energiespeicher; Power-to-Gas}, language = {de} } @phdthesis{Nakov2014, author = {Nakov, Galin}, title = {Rohemissionsmodellierung auf Basis detaillierter Chemie}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-34668}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2014}, abstract = {Diese Dissertation befasst sich mit der numerischen Simulation von Verbrennung sowie Ruß- und NOx-Emissionen in Dieselmotoren. F{\"u}r die Rußsimulation wurde das detaillierte Rußmodell von Prof. Dr. F. Mauß angewandt, das auf einer Flamelet-Bibliothek basiert (engl. Flamelet Library of Sources - FLOS). Dabei wird die detaillierte Chemie a priori gel{\"o}st und tabelliert, wodurch eine Ber{\"u}cksichtigung von lokalen Chemie- und Turbulenzeffekten bei akzeptablen CPU-Rechenzeiten erm{\"o}glicht wird. Unter der berechtigten Annahme, dass die Rußchemie viel langsamer als die turbulenten L{\"a}ngenskalen im Str{\"o}mungsfeld ist, k{\"o}nnen Rußreaktionsraten vorausberechnet und in der FLOS tabelliert werden. Des Weiteren wurde ein {\"a}hnlich gestaltetes NOx-Modell entwickelt, das auch auf einem Flamelet-Bibliotheksansatz basiert. Eine große Herausforderung bei der Anwendung von Flamelet-Bibliotheksans{\"a}tzen ist die Kopplung zum CFD-Code. Eines der Hauptziele dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Methode, mit der die Kopplung zum CFD-Code verbessert wird. Der vorgeschlagene Ansatz weist eine weitere Bibliothek auf, in der Temperaturprofile von station{\"a}ren Flamelets tabelliert sind. Mithilfe dieser zus{\"a}tzlichen Bibliothek kann das Flamelet ausgew{\"a}hlt werden, das genau den thermodynamischen Bedingungen und der Gemischzusammensetzung in der CFD-Zelle entspricht. Damit wird die Konsistenz zwischen FLOS und CFD-Code hinsichtlich Mischungs-bruch und Temperatur gew{\"a}hrleistet. Weitere Optimierung der Kopplung zwischen FLOS und dem CFD-Code wurde durch die Ber{\"u}cksichtigung der lokalen Acetylenkonzentration erreicht. Das Rußmodell ist unabh{\"a}ngig von dem in der CFD-Software verwendeten Verbrennungsmodell. Somit werden die Verbrennungsvorg{\"a}nge in der Gasphase vom Rußmodell nicht beeinflusst. Gleichzeitig wird das Rußmodell von der Gasphasenchemie nicht beeinflusst. W{\"a}hrend der station{\"a}ren Flamelet-Rechnungen ist die lokale Rußoberfl{\"a}che, von der das Oberfl{\"a}chenwachstum direkt abh{\"a}ngt, nicht bekannt. Aus diesem Grund kann der Acetylenverbrauch durch Rußoberfl{\"a}chenwachstum in der FLOS nicht explizit berechnet werden. Deshalb wurde das Acetylen-Feedback eingef{\"u}hrt: eine Limitierung der Rußoberfl{\"a}chenwachstumsrate, die die lokale Acetylenkonzentration ber{\"u}cksichtigt. Das FLOS-Modell und die neu entwickelten Ans{\"a}tze wurden mit dem CFD-Code STAR-CD© gekoppelt. Das resultierende CFD-Paket wurde f{\"u}r dieselmotorische Verbrennungs- und Emissionssimulation eingesetzt. Der Schwerpunkt der numerischen Untersuchungen lag auf dem Einfluss der AGR-Rate und der Einspritzstrategie auf die Verbrennung und die dabei entstehenden Ruß- und NOx-Emissionen. In diesem Kontext wurde {\"u}ber die Qualit{\"a}t des CFD-Setups und der Verbrennungssimulation diskutiert, die f{\"u}r eine zuverl{\"a}ssige Rußsimulation erforderlich ist. Die Simulationsergebnisse wurden mit experimentellen und diagnostischen Daten verglichen und zeigen eine sehr gute {\"U}bereinstimmung f{\"u}r die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Betriebspunkte. Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial der verbrennungs-motorischen CFD-Simulation hinsichtlich Brennverfahrensoptimierung auf.}, subject = {Ruß; NOx; Flamelet; Bibliothek; Diesel; Soot; Library; CFD; Simulation; Engine; Dieselmotor; Rußemission; Stickstoffemission}, language = {de} }