@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{Schreiber2013, author = {Schreiber, Matthias}, title = {Modellierung von Hydrodynamik und W{\"a}rme{\"u}bertragung in blasenbildenden Wirbelschichten zur Trocknung von Braunkohle}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27263}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2013}, abstract = {In der vorliegenden Arbeit wird die numerische Modellierung der Hydrodynamik und W{\"a}rme{\"u}bertragung in blasenbildenden Wirbelschichten bestehend aus Braunkohlepartikeln untersucht. Zur Validierung der aus den Simulationen extrahierten Daten stehen zwei verschiedene Versuchsanlagen zur Verf{\"u}gung. In einem quasi-2D Wirbelschichtkaltmodell k{\"o}nnen hydrodynamische Gr{\"o}ßen gemessen werden. Mithilfe transparenter Vorder- und R{\"u}ckw{\"a}nde der Wirbelschicht kann eine automatische Bildanalyse per Digital Image Analysis Technique (DIAT) durchgef{\"u}hrt werden, um die Eigenschaften der aufsteigenden Blasen ermitteln zu k{\"o}nnen. Eine weitere zylindrische Wirbelschichtanlage mit einem einzelnen, horizontal eingetauchten Rohr dient zur Bestimmung des W{\"a}rme{\"u}bergangs von dem Rohr in die Wirbelschicht. Der W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizient wird dabei {\"u}ber eine Sonde gemessen, welche die Ermittlung der lokalen Verteilung der Werte {\"u}ber dem Gesamtumfang erm{\"o}glicht. Als Wirbelgut wurde in beiden Versuchsanlagen abgesiebte Trockenbraunkohle verwendet. Dem eigentlichen Schwerpunkt der Arbeit wird eine Untersuchung zu Simulationsparametern und -gittern vorangestellt, um deren Einfluss auf die Ergebnisse absch{\"a}tzen und passende Einstellungen ableiten zu k{\"o}nnen. Dies beinhaltet die Diskretisierung der konvektiven Terme in den Erhaltungsgleichungen, die gew{\"a}hlten Konvergenzkriterien und Zeitschrittweiten, die mindestens notwendigen Simulationsdauern und Mittelungszeitr{\"a}ume sowie die Aufl{\"o}sung und die Dimension des Rechengitters. Zur Modellierung der Hydrodynamik der Braunkohlewirbelschichten wird das Euler-Euler Two Fluid Model (TFM) unter Einsatz der Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF) zur Modellierung der Rheologie der Feststoffphase angewendet und die wichtigsten partikelrelevanten Modellparameter und Submodelle untersucht. Die in Braunkohlewirbelschichten sowohl ohne als auch mit dicht gepackten Tauchheizfl{\"a}chen durchgef{\"u}hrten Vergleiche werden anhand der experimentell ermittelten Versuchsergebnisse validiert. Die individuelle Wirkung der unterschiedlichen Parameterwerte und Submodelle ist im Allgemeinen in freien Wirbelschichten gr{\"o}ßer und deutlicher voneinander abgrenzbar als in den Wirbelschichten mit den Str{\"o}mungswiderst{\"a}nden. Deren Einfluss ist aufgrund ihrer dichten Anordnung dominierend. Von den untersuchten Gr{\"o}ßen stellt die Impulsaustauschfunktion den bedeutendsten Faktor zur ad{\"a}quaten Beschreibung der Hydrodynamik der Wirbelschicht dar. F{\"u}r die Untersuchung der W{\"a}rme{\"u}bertragung in Braunkohlewirbelschichten werden verschiedene Ans{\"a}tze zur Modellierung der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten von Gas- und Feststoffphase betrachtet. Neben einem Standardmodell f{\"u}r die Wirbelschicht geh{\"o}ren dazu ebenfalls zwei unterschiedliche Methoden zur Einbeziehung von Effekten, die in unmittelbarer N{\"a}he eingetauchter Oberfl{\"a}chen zu beachten sind und die lokale W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeit der Gas-Partikel-Suspension beeinflussen. Die Simulationen mit den genannten Modellen zur Beschreibung der W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten werden mittels globaler und lokaler Mittelwerte der sich ergebenden W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten an einem eingetauchten, horizontalen Einzelrohr miteinander und den experimentell gewonnenen Daten verglichen. Zus{\"a}tzlich erfolgt eine Variation der Leerrohrgeschwindigkeit sowie eine getrennte Diskussion der gas- und partikelkonvektiven Anteile. Die Resultate zeigen, dass ein W{\"a}rmeleitungsansatz in der N{\"a}he einer {\"U}bertragerfl{\"a}che zu deutlich niedrigeren W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten als die anderen beiden f{\"u}hrt, da er dort f{\"u}r die Feststoffphase geringere W{\"a}rmeleitf{\"a}higkeiten annimmt. Weiterhin kann in den Simulationen unabh{\"a}ngig von Partikeldurchmesser und Geschwindigkeit ein starker Abfall der erzielten W{\"a}rme{\"u}bertragung im Bereich der Rohrflanken beobachtet werden, welcher die gr{\"o}ßte qualitative Abweichung zwischen den Daten aus den Simulationen und Experimenten darstellt. In einer Diskussion werden die Gr{\"u}nde f{\"u}r diese Diskrepanz beleuchtet.}, subject = {Braunkohle; Trocknung; Wirbelschichtverfahren; Hydrodynamik; W{\"a}rme{\"u}bertragung; Hydrodynamik; W{\"a}rme{\"u}bertragung; Blasenbildende Wirbelschicht; Braunkohle; Numerische Str{\"o}mungssimulation; Hydrodynamics; Heat transfer; Bubbling fluidized bed; Lignite; Numerical simulation}, language = {de} } @phdthesis{Lechner2012, author = {Lechner, Stefan}, title = {Untersuchungen zur Berechnung und Optimierung des W{\"a}rme{\"u}bergangs bei der Dampfwirbelschicht-Trocknung am Beispiel von Lausitzer Braunkohlen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27120}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2012}, abstract = {Die vorliegende Arbeit behandelt den W{\"a}rme{\"u}bergang in Wirbelschichten mit horizontalen W{\"a}rmetauscherfl{\"a}chen in Form von Einzelrohren oder Rohrb{\"u}ndeln. Die zugrunde liegende Anwendung ist die (Druckaufgeladene) Dampfwirbelschicht-Trocknung von Braunkohle, welche auf eine Korngr{\"o}ße von 0-2 mm aufgemahlen ist ("Feinkorn", Sauterdurchmesser < 85 Mikrometer), was den Anforderungen von Staubbrennern im Kraftwerk gen{\"u}gt. In diesen Wirbelschichten dominiert deutlich der partikelkonvektive W{\"a}rme{\"u}bergangsmechanismus. Die verschiedenen (D)DWT- und andere Trocknungsverfahren werden verglichen und anhand von Energieeffizienz und großtechnischer Anwendbarkeit bewertet. Derzeit existieren in der Literatur große Unsicherheiten und Widerspr{\"u}che bez{\"u}glich der Vorhersage des W{\"a}rme{\"u}bergangs bei unterschiedlichen Einzelrohr- und Rohrb{\"u}ndelgeometrien. Untersuchungsbereiche in der Arbeit sind die W{\"a}rmetauschergeometrie, der Einfluss von Korngr{\"o}ßenverteilung und beheizten Nachbarrohren im Rohrb{\"u}ndel sowie die Effekte der Anwesenheit und gleichzeitigen Verdampfung von Wasser. Die Vorhersageg{\"u}te der anerkannten Theorien von Martin und Molerus/Dietz wird anhand des (D)DWT-Verfahrens bez{\"u}glich des W{\"a}rme{\"u}bergangs vom Heizrohr in die Wirbelschicht {\"u}berpr{\"u}ft. Dabei stellt sich die Verwendung des Martindurchmessers zur Beschreibung des stark polydispersen Wirbelgutes als geeignet heraus. Das zus{\"a}tzlich eingef{\"u}hrte 40-my-Kriterium wurde als geeigneter Standard zum Vergleich von feink{\"o}rnig aufgemahlenen Braunkohlen unterschiedlicher Herkunft identifiziert. Die Auswirkungen des Rohrdurchmessers auf den W{\"a}rme{\"u}bergang wurden {\"u}ber den weiten Bereich von 12 - 200 mm untersucht und in die Theorie implementiert. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die Untersuchung unterschiedlicher Rohrb{\"u}ndelgeometrien, insbesondere mit versetzter Rohranordnung, zur Herleitung eines auf geometrischen dimensionslosen Kennzahlen basierenden Rohrb{\"u}ndelfaktors, welcher die Reduktion des W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten am Rohrb{\"u}ndel im Vergleich zum Einzelrohr vorhersagt. Die verwendeten Rohrb{\"u}ndel umfassten Rohrdurchmesser von 12 - 35 mm und Rohrteilungen von 1,5 bis 4,0. Die gefundenen Haupteinflussgr{\"o}ßen auf den Rohrb{\"u}ndelfaktor sind die horizontale und diagonale Teilung sowie der kleinste freie Rohrabstand zwischen den Rohren. Wichtige Randeffekte wurden ebenfalls betrachtet und diskutiert. Erg{\"a}nzend wurden die Rohrb{\"u}ndelgeometrien anhand des spezifischen, volumenbezogenen W{\"a}rme{\"u}bergangskoeffizienten verglichen. In der Arbeit konnten relativ pr{\"a}zise und detaillierte Auslegungsgrundlagen f{\"u}r die Konstruktion von Rohrb{\"u}ndelw{\"a}rmetauschern in Wirbelschichten erarbeitet werden. Diese umfassen den Anwendungsfall der (D)DWT, sind aber auch auf andere Feinkornwirbelschichten {\"u}bertragbar.}, subject = {Lausitz; Braunkohle; Trocknung; Wirbelschichtverfahren; W{\"a}rme{\"u}bertragung; Wirbelschicht; Wirbelschichttrocknung; Braunkohletrocknung; W{\"a}rme{\"u}bergang; Rohrb{\"u}ndel; Fluidized bed; Fluidized bed drying; Lignite drying; Heat transfer; Tube bundle}, 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{Kangwanpongpan2013, author = {Kangwanpongpan, Tanin}, title = {Contribution to CFD modeling of lignite oxy-fuel combustion with special focus on radiation properties}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27597}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2013}, abstract = {Coal consumption shares approximately 1/3 of a total global primary energy consumption, therefore this will mainly impact to global warming situation in the 21th century. For this reason, the natural resource such as coal should be processed in the most efficient way. Today, we have several combustion technologies to serve this purpose and oxy-fuel combustion is one of efficient method. In oxy-fuel technology, car-bon dioxide (CO2) will be captured in the liquid form for storaging into the ocean or injecting into the rock-sediment underground.CFD is an effective tool to analyse and approximate combustion gas species, temperature and heat transfer properties in oxy-fuel furnace. However, an insight into mathematical models for oxy-coal combustion is still restricted from many unknowns such as devolatilization rate, reaction mechanism of volatile reaction, turbulent gaseous combustion of volatile product, char heterogeneous reaction, radiation properties of gaseous mixture and heat transfer inside combustion chamber and through furnace's wall. Therefore, this dissertation aims to study mathematical modeling of lignite combustion under oxy-fuel conditions and also create new correlations for weighted sum of gray gases (WSGG) model for predictions of radiation properties of oxy-coal gas mixture.}, subject = {Oxyfuel-Verfahren; Numerisches Modell; Numerische Str{\"o}mungssimulation; CFD; Oxyfuel-Verbrennung; Strahlungsmodellierung; Braunkohle; CFD; Oxy-fuel combustion; Radiation modeling; Lignite}, language = {en} }