@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} }