TY - THES A1 - Ojong, Emile Tabu T1 - Characterization of the performance of PEM water electrolysis cells operating with and without flow channels, based on experimentally validated semi-empirical coupled-physics models T1 - Charakterisierung der Leistungsfähigkeit von PEM-Wasser-Elektrolysezellen, die mit und ohne Strömungskanäle arbeiten, basierend auf experimentell validierten semi-empirischen gekoppelten physikalischen Modellen N2 - PEM water electrolysis is a clean technology for hydrogen production. In spite of its many advantages, the costs of the conventional PEM electrolysis cell makes it commercially less competitive vis-à-vis its peers. An alternative cell design has been proposed which has up to a 25 % costs advantage over the conventional cell. In this alternative cell design, the flow channel plate which bears the most costs in the conventional cell design has been replaced with a 3-D Porous Transport Layer (PTL) structure. It has however, been observed that the conventional cell by far out performs the low cost cell at high current density operations, due to increased mass transport limitation in the later. Industrial and commercial hydrogen production efforts are focused towards high current density operation (> 3 A/cm²), so the alternative cell design must be optimized for mass transport limitation. PEM water electrolysis is a clean technology for hydrogen production. In spite of its many advantages, the costs of the conventional PEM electrolysis cell makes it commercially less competitive vis-à-vis its peers. An alternative cell design has been proposed which has up to a 25 % costs advantage over the conventional cell. In this alternative cell design, the flow channel plate which bears the most costs in the conventional cell design has been replaced with a 3-D Porous Transport Layer (PTL) structure. It has however, been observed that the conventional cell by far out performs the low cost cell at high current density operations, due to increased mass transport limitation in the later. Industrial and commercial hydrogen production efforts are focused towards high current density operation (> 3 A/cm²), so the alternative cell design must be optimized for mass transport limitation. This work seeks to understand the source of, and to eliminate the mass transport losses in the alternative cell design to get it performing at least as good as the conventional cell at current densities up to 5 A/cm². A 2-D non-isothermal semi-empirical fully-coupled models of both cell designs have been developed and experimentally validated. The developed validated models were then used as tools to simulate and predict the best operating conditions, design parameters and micro-structural properties of the PTL at which the mass transport issues in the alternate cell will be at its minimum, at high current densities. The models are based on a multi-physics approach in which thermodynamic, electrochemical, thermal and mass transport sub-models are coupled and solved numerically, to predict the cell polarization and individual overpotentials, as well as address heat and water management issues. The most unique aspect of this work however, is the development of own semi-empirical equations for predicting the mass transport overpotential imposed by the gas phase (bubbles) at high current densities. For the very first time, calculated polarization curves up to 5 A/cm² have been validated by own experimental data. The results show that, the temperature and pressure, water flowrate and thickness of the PTL are the critical parameters for mitigating mass transport limitation. It was found that, for the size of the cells studied (25 cm² active area each), when both cells are operating at the same temperature of 60 °C, alternative design will have a comparable performance to the conventional designed cell even at 5 A/cm² current density when; the operating pressure is ≥ 5 bar, the feed water flowrate is ≥ 0.024l/min∙cm², PTL porosity is 50 %, PTL pore size is ≥ 11 µm and PTL thickness is 0.5 mm. At these operating, design and micro-structural conditions, the predicted difference between the polarizations of both cells will be only ~10 mV at 5 A/cm² operating current density. N2 - Die PEM Wasser Elektrolyse gilt als effiziente Technologie zur Herstellung von sauberem Wasserstoff zur Energiespeicherung. Trotz der vielen Vorteile führen hohe Kosten für die Produktion konventioneller Komponenten und Stacks zu einer nicht konkurrenzfähigen Technologie. Ein alternatives und kostengünstiges Zelldesign wurde vorgestellt, das, verglichen mit einem konventionellen Design, einen Kostenvorteil von bis zu 25 % hervorbringt. Bei diesem alternativen Zelldesign wird die Platte mit Strömungskanälen, die den größten Kostenanteil birgt, durch eine 3-D poröse Struktur (PTL) ersetzt. Bei hohen Stromdichten zeigt aber ein Design ohne Strömungskanäle niedrigere Leistungsdaten, was durch eine gesteigerte Limitierung des Massentransportes erklärt werden kann. Da sich die industrielle und kommerzielle Wasserstoffproduktion in Richtung hoher Stromdichten (> 3 A/cm²) entwickelt, scheint das erforderliche Verständnis von Massentransporteffekten offensichtlich das kosteneffiziente Design gegenüber dem konventionellen Design voran zu treiben. Diese Arbeit versucht den Ursprung von Massentransportlimitierung des kostengünstigen Zelldesigns zu verstehen und zu eliminieren. Um diese Zielvorgabe zu erreichen, wurden 2-D nicht-isotherme, semi-empirische, vollständig gekoppelte Modelle beider Zelldesigns entwickelt und experimentell validiert. Die entwickelten und validierten Modelle wurden als Werkzeug zur Simulation und Vorhersage der am besten geeigneten Betriebs- und Designparameter, sowie Eigenschaften der Mikrostrukur der PTL verwendet. Die hierin entwickelten Modelle basieren auf einem multiphysikalischen Ansatz, worin thermodynamische, elektrische und thermische Effekte sowie Massentransportuntermodelle gekoppelt und gelöst wurden, um sowohl die Zellpolarisation und individuelle Überpotentiale vorherzusagen, als auch Wärme- und Wassermanagement zu adressieren. Das Alleinstellungsmerkmal dieser Arbeit ist jedoch die Entwicklung von semi-empirischen Gleichungen, um die Überpotentiale der Massentransporthemmung, ausgehend von Gasblasen, vorhersagen zu können. Ebenso wurden zum ersten Mal berechnete PEM Wasser Elektrolyse Polarisationskurven bis zu einer Stromdichte von 5 A/cm² mit eigenen Daten validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Temperatur und Druck, sowie Wasserflußrate und Dicke der PTL die kritischen Parameter sind, um Massentransportlimitierung zu vermeiden. Es wurde sogar gezeigt, dass bei der verwendeten Zellgröße (aktive Fläche = 25 cm²) vergleichbare Leistungsdaten bei 60 °C und 5 A/cm² erreicht werden können, sofern der Betriebsdruck 5 bar übersteigt, die Wasserflussrate größer als 0.024 l/min ist, die Porosität der PTL 50 % übersteigt, die Porendurchmesser größer als 11 µm sind und die PTL Dicke bei 0.5 mm liegt. Bei diesen Parametern wurden Unterschiede zwischen den beiden Zelldesigns von etwa 10 mV bei 5 A/cm² vorhergesagt. KW - PEM Electrolysis KW - Porous Transport Layer KW - Mass Transport KW - Modelling KW - Experimental Validation KW - PEM-Elektrolyse KW - Poröse Transportschicht KW - Massentransport KW - Modellierung KW - Experimentelle Validierung KW - Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzelle KW - Strömungsmechanik KW - Stoffübertragung KW - Kanalströmung Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-46504 ER - TY - THES A1 - Abang, Roger Atini T1 - Thermodynamic modeling and experimental investigations of high temperature corrosion and oxidation due to increased power plant cycling T1 - Thermodynamische Modellierung und experimentelle Untersuchungen der Hochtemperaturkorrosion und -oxidation aufgrund des erhöhten Lastwechsels von Kraftwerken N2 - With the rapid growth of renewable energy sources (RES) in the power generation mix in accordance with the German energy transition policy (‘Energiewende’), fewer baseload coal power plants will be required. Future power generation will be supplied through decentralized power utilities such as off-shore wind parks and also through high operational flexibility of existing conventional coal power units. High operational flexibility means conventional power plants have to increase cyclic operations to cope with feed-ins from variable-RES such as wind and solar. Unlike medium and peak load power plants that can react quickly to load changes and power ramps, baseload power plants are not suited for such operations. Important technical requirements for flexible operation include among others; frequent start-ups and shut-downs, a minimum downtime, shorter startup time and short operational periods. Baseload coal power plants however do not meet these requirements. This increased cyclic mode of operation can have severe impacts on vital power plant components such as superheater and reheater tubes resulting in high temperature cyclic oxidation/corrosion especially because these plants were not designed for frequent cyclic operations. To optimize plant operations, minimize material damage and reduce operational and maintenance cost, it is therefore important to understand the oxidation and corrosion risk to plants materials associated with this flexible mode of operation. In this context, thermochemical modeling in FactSage 6.4ᵀᴹ as well as experimental investigations were carried out. For the experimental investigations, five commercial coal boiler superheater and reheater materials, namely T91, VM12-SHC, TP347-HFG, DMV304 HCu and DMV310 N were exposed for 1000 hours under discontinuous isothermal oxidation conditions and 1000 hours thermo–cyclic oxidation conditions at a metal surface temperature of 650 °C. The synthetic corrosive flue gas consisted of a mixture of CO₂, O₂, SO₂, N₂ and H₂O. The test material samples were partly covered in fly ash to investigate the effect ash deposits on the corrosion and oxidation behavior of the test materials. After exposure metallographic analysis by means of light microscopy and scanning electron microscopy (LOM and SEM–EDS) were carried out to study the oxide morphology and micro–structural properties of the materials. The oxidation kinetics (weight change) results showed significant oxide growth rates (weight gain) under cyclic oxidation conditions especially in the martensitic alloys – T91, VM12-SHC. Furthermore, metallographic analysis revealed severe oxide spallation in the ash covered sections of these alloys. The austenitic materials (TP374-HFG, DMV310 N) with the exception of DMV304 HCu showed good oxidation behavior with minimal oxide growth both under isothermal and thermal cyclic conditions. However, severe grain boundary attack and internal sulphidation were found in these alloys. DMV310 N showed the best corrosion and oxidation performance. The thermochemical modeling calculations supported the experimental results. N2 - Bedingt durch die Zunahme der erneuerbaren Energien im Rahmen der Energiewende sind zunehmend weniger Großkraftwerke erforderlich. Zukünftig erfolgt die Bereitstellung der elektrischen Energie durch dezentrale Energieerzeuger, wie Offshore-Windparks, Solar-Parks sowie die in der Flexibilität gesteigerten konventionellen Kraftwerke. An ein konventionelles Kohlekraftwerk besteht zukünftig der Anspruch einer möglichst flexiblen Fahrweise und die Herausforderung, den bisherigen Dauerbetrieb unter Volllast auf einen Teilbetrieb mit wenigen Betriebsstunden unter Teillast absenken zu können. Für die nötige flexible Fahrweise sind, neben anderen Faktoren, eine kurze Anfahrdauer, kurze Einsatzzeiten, hochfrequente An- und Abfahrzyklen sowie minimale Stillstandzeiten sehr wichtige Kriterien, um die Betriebsweise dem schwankenden Bedarf optimal angleichen zu können. Diese Kriterien können bisher jedoch nur von Mittel- und Spitzenlastkraftwerken erfüllt werden. Durch die zunehmende Schwankungsbreite der Einspeisung von elektrischer Energie, in Folge des Ausbaus regenerativer Energieerzeugung und dem Abbau von Grundlastkraftwerken, sind zunehmend auch die verbleibenden Grundlastkraftwerke auf eine flexible Fahrweise angewiesen. Diese Betriebsweise führt in kohlebefeuerten Grundlastkraftwerken zur drastischen Verkürzung der Betriebszeiten durch schneller stattfindende Materialschädigungen, wie beispielsweise Hochtemperaturkorrosion und -oxidation. Um solche Anlagen bei Reduzierung der Betriebskosten für eine flexiblere Fahrweise zu optimieren, ist es notwendig das Korrosionsverhalten der Dampferzeugerwerkstoffe genauer zu untersuchen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden sowohl thermochemische Modellierungen in FactSageᵀᴹ 6.4 als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Für die experimentellen Untersuchungen wurden fünf kommerzielle Stähle für den Einsatz in Dampferzeugern, Überhitzern und Zwischenüberhitzern ausgewählt (TP91, VM12-SHC, TP347-HFG, DMV304 HCu und DMV310 N). Diese wurden jeweils für 1000 Stunden unter isothermen sowie thermozyklischen Oxidationsbedingungen bei einer Temperatur von 650°C dem synthetischen Rauchgas ausgesetzt. Das korrosive Rauchgas bestand aus einer Mischung von CO₂, O₂, SO₂, N₂ und H₂O. Die Materialproben wurden zum Teil mit Flugasche bedeckt, um die Auswirkungen der Ascheablagerungen auf das Korrosionsund Oxidationsverhalten der Werkstoffe zu untersuchen. Die korrodierten Proben wurden licht- und rastereletronenmikroskopisch analysiert (LiMi und REM-EDX). Bei der Charakterisierung von Oxidschicht und Material wurden neben den morphologischen auch die mikrostrukturellen Eigenschaften untersucht. Bezüglich der Oxidationskinetik (Gewichtsänderungen) zeigten insbesondere die martensitischen Stähle (T91, VM12-SHC) unter thermozyklischen Bedingungen signifikante Oxidwachstumsraten (Gewichtszunahmen). Darüber hinaus konnten metallographische Analysen Oxidschichtabplatzungen in den mit Asche bedeckten Bereichen nachweisen. Hingegen wiesen die austenitischen Stähle (TP347-HFG, DMV310 N), mit Ausnahme von DMV304 HCu, sowohl unter isothermen als auch unter thermozyklischen Bedingungen ein gutes Oxidationsverhalten mit minimalem Oxidschichtwachstum auf. Dennoch konnten Korngrenzenangriffe sowie innere Sulfidbildungen in diesen Legierungen beobachtet werden. Von allen Stählen wies DMV310 N den höchsten Widerstand gegenüber Korrosion und Oxidation auf. Die thermochemische Modellierung bestätigte die experimentellen Ergebnisse. KW - Thermo-chemical modeling KW - Oxidation KW - High temperature corrosion KW - Cycling KW - Flexible generation KW - Oxidation KW - Hochtemperaturkorrosion KW - Lastwechsel KW - Flexible Kraftwerke KW - Thermochemische Modellierung KW - Kraftwerk KW - Hochtemperaturkorrosion KW - Lastwechselverhalten KW - Oxidation KW - Thermodynamik KW - Modellierung Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-40032 ER - TY - THES A1 - Katzer, Christian T1 - Modellierung und Optimierung des Verbrennungszustands anhand der dynamischen Flammenstabilität am Beispiel eines Kohlebrenners T1 - Modeling and optimization of combustion state based on dynamic flame stability using a coal burner as an example N2 - Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine modellgestützte Prozessoptimierung an einer 400 kWth Verbrennungsanlage entwickelt, mit dem Ziel, die Betriebsoptimierung in Echtzeit zu realisieren. Die Grundlage bildet ein physikalisch-netzwerkgekoppeltes Modell der Verbrennungsanlage, das mit einem neuronalen Netzwerk zur Analyse der Betriebsdaten des Brenners hinsichtlich der Verbrennungsstabilität kombiniert wird. Der Optimierungsalgorithmus basiert auf einer Zielfunktion, die die Flammenstabilität und den Luftanteil berücksichtigt. Im Überblick zum aktuellen Stand der Technik wurde zunächst die Problemstellung der Flammenstabilität auf das untersuchte Feststoff-Brennersystem übertragen und der erforderliche Zugriff auf physikalisch-chemische Parameter der Flammenzone zur Zustandsbewertung des Systems erläutert. Das Modell wurde auf der Grundlage experimenteller Untersuchungen am Gas-/Kohle-Kombibrenner des Verbrennungsversuchsstands VVS400 an der BTU Cottbus-Senftenberg entwickelt. Dabei wurden verschiedene Messmethoden zur Erfassung instationärer Verbrennungseffekte überprüft. Insbesondere erwies sich die UV-Flammenstrahlung und die Chemolumineszenz des OH*-Radikals als geeignet für die Bewertung der primären Verbrennungszone. Diese Methodik ermöglichte es, das Verbrennungsverhalten zu analysieren und ein Modell zur Bewertung der Flammenstabilität zu entwickeln. Eine wesentliche Erkenntnis war, dass das Flammenwächtersignal, unterstützt durch eine Frequenzanalyse, eine zuverlässige Datenquelle für die Modellierung und Optimierung des Brennersystems darstellt. Das entwickelte Bewertungssystem ermöglicht eine präzise Beurteilung des Verbrennungszustands sowie die Berechnung von Optimierungsmaßnahmen, die als Handlungsempfehlungen für den Brennerbetrieb dienen. Im weiteren Verlauf wurde ein quasistationäres Modell entwickelt, das physikalische Modellierungsansätze mit neuronalen Netzwerken kombiniert, um komplexe Betriebsparameter abzubilden. Diese Modellierung zeigte eine hohe Übereinstimmung mit den experimentellen Messdaten und bildete somit eine effektive Grundlage für die Prozessoptimierung. Das Optimierungsverfahren basiert auf dem Pattern-Search-Verfahren, wobei die Flammenstabilität und der Luftanteil als Optimierungsziele definiert wurden. Die Ergebnisse der Untersuchungen belegen, dass das integrierte Verfahren zur Flammenbewertung und -optimierung erfolgreich zur Echtzeit-Analyse und Steuerung von Brennersystemen eingesetzt werden kann. Anhand von Validierungsmessungen wird das Potenzial zur Modellierung und Optimierung des Verbrennungszustands auf Basis der dynamischen Flammenstabilität am Beispiel eines Kohlebrenners diskutiert. Das vorgestellte Verfahren soll als Hilfsmittel für Brennersysteme dienen, um den steigenden Anforderungen an Emissionsgrenzen und Lastflexibilität gerecht zu werden. Die Übertragbarkeit vom experimentellen Rahmen auf die Industrieanwendung wird diskutiert, und weiterer Entwicklungsbedarf abgeleitet. N2 - In the context of this thesis, a model-based process optimization for a 400 kWth combustion plant was developed with the aim of achieving real-time operational optimization. The foundation of this work is a physically network-coupled model of the combustion system, which is combined with a neural network to analyze the burner’s operational data in terms of combustion stability. The optimization algorithm is based on an objective function that takes into account flame stability and the air ratio. In the overview of the current state of technology, the issue of flame stability was initially transferred to the investigated solid fuel burner system. The necessary access to the physical and chemical parameters of the flame zone for the system’s condition assessment was explained. The model was developed based on experimental investigations on the gas/coal hybrid burner of the combustion test facility VVS400 at BTU Cottbus-Senftenberg. A range of measurement techniques for capturing unsteady combustion effects were examined. Of particular note were the findings that UV flame radiation and the chemiluminescence of the OH* radical were suitable for assessing the primary combustion zone. This methodological approach facilitated the analysis of combustion behavior and the development of a model for evaluating flame stability. A key finding was that the flame monitoring signal, supported by frequency analysis, serves as a reliable data source for modeling and optimizing the burner system. The developed assessment system allows for an accurate evaluation of the combustion state as well as the calculation of optimization measures, which serve as recommendations for burner operation. Furthermore, a quasi-stationary model was developed, which combines physical modeling approaches with neural networks to represent complex operational parameters. This model demonstrated a high degree of consistency with experimental measurement data, thereby establishing a robust foundation for process optimization. The optimization procedure is based on the pattern search method, where flame stability and air ratio are defined as optimization objectives. The results of the investigations demonstrate that the integrated procedure for flame assessment and optimization can be successfully used for real-time analysis and control of burner systems. Based on validation measurements, the potential for modeling and optimizing the combustion state based on dynamic flame stability is discussed, using a coal burner as an example. The presented concept demonstrates that a field-tested measurement procedure, in conjunction with an extended evaluation methodology, can be utilized to establish advanced combustion control based on flame state assessment in both existing and new combustion systems. The proposed method aims to serve as a tool for burner systems to meet the increasing demands for emission limits and load flexibility. The transferability of the experimental framework to industrial applications is discussed, and further development needs are derived. KW - Verbrennung KW - Flammenstabilität KW - Optimierungsmodell KW - Combustion KW - Combustion stability KW - Optimization model KW - Neuronales Netzwerk KW - Neural network KW - Verbrennung KW - Flammenstabilität KW - Prozessoptimierung KW - Modell KW - Neuronales Netz Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-70402 ER - TY - THES A1 - Nimtz, Michael T1 - Modellierung des Pipelinetransportes von CO₂-reichen Fluiden T1 - Modelling the pipeline transport of CO₂-rich fluids N2 - Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Transport von CO₂ aus energietechnischen Anlagen untersucht. Zunächst werden die physikalischen und technischen Randbedingungen erläutert, welche ein Transportsystem beeinflussen und beschränken, insbesondere werden die Einflüsse der thermo-dynamischen Fluideigenschaften von CO₂ und CO₂-Gemischen auf die Transportprozesse analysiert. Des Weiteren erörtert die Arbeit die Besonderheiten, die bei der Auslegung und dem Betrieb von CO₂-Pipelines (im Gegensatz beispielsweise zu Erdgaspipelines) auftreten. Der Hauptteil der Arbeit befasst sich mit der Modellierung und Simulation zweier potentieller Pipeline-transportsysteme, welche CO₂ vom Kraftwerksstandort Jänschwalde in der Lausitz a) zu einem CO₂-Hub im Hafen von Rotterdam und b) zu einem Offshore-Aquifer unter der Nordsee transportieren. Anhand dieser konkreten Fallbeispiele werden die Auslegung des Transportsystems dargestellt und die statischen und die dynamischen Betriebskennlinien der Pipelines und des Injektionsbrunnens aufgenommen und hinsichtlich der Auswirkungen auf den Betrieb unter flexiblen Lastbedingungen untersucht. Die Modellierung der Pipelines wird mithilfe der Modellierungs- und Simulationssoftware OLGA Dynamic Multiphase Flow Simulator von Schlumberger umgesetzt. Die Validierung der genutzten Submodelle der Software erfolgt über die Simulation historischer Lastfälle der Canyon-Reef-Carrier-Pipeline in Texas und der CO₂-Injektionspilotanlage Ketzin westlich von Potsdam. Die Hauptmodelle umfassen a) die Pipeline vom Kraftwerkszaun bis zum Übergabepunkt am CO₂-Hub in Rotterdam bzw. b) die Pipeline vom Kraftwerkszaun bis zum Meeresgrund sowie den Injektionsbrunnen und ein Modell des Aquiferspeichers. Es ist mit den Modellen möglich, die thermo-fluiddynamischen Prozesse des CO₂ in der Rohrleitung sowie im Injektionsbrunnen bis zum Speicher nachzubilden. Es wurden insgesamt 66 Szenarien simuliert und ausgewertet. Die simulierten Szenarien umfassen statische Kennlinien bei konstanter Last, definierte Lastzyklen mit Sprüngen konstanter Höhe, reale Lastgänge auf Basis historischer Kraftwerksmessdaten sowie typische Betriebsabläufe wie An- und Abfahren der Pipeline, Absperrung einzelner Abschnitte der Pipeline bis hin zu den Auswirkungen eines Risses in der Pipelinewand. Zu den wesentlichen Ergebnissen der Simulationen zählen die auftretenden Druckverläufe, Wärme-übergangs- und Wärmespeichervorgänge sowie das dynamische Verhalten bei wechselnden Lastbedingungen. Ausgehend von den Simulationsergebnissen werden die Pipelinesysteme charakterisiert und die dynamischen Prozesse hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf Betriebsabläufe und Auslegungskriterien untersucht. Es kann gezeigt werden, dass Pipelines für die gestellte Transportaufgabe geeignet sind und mit einem gewissen Maß an Prozessüberwachung und -regelung auch dauerhaft sicher betrieben werden können. Problematische Prozessverläufe werden eingehend diskutiert und Regelstrategien aufgezeigt, welche einen Betrieb der Pipelines sicherstellen können. N2 - In this thesis the transport of CO₂ from systems for energy generation is examined. First, the technical and physical boundary conditions which influence a transport system are discussed. Special attention is given on the influence of thermodynamic fluid properties of CO₂ and CO₂ mixtures on the transport processes. Furthermore, the differences in design and operation of CO₂ pipelines (in com-parison with e.g. natural gas pipelines) are discussed. The main section of the thesis is about the modeling and simulation of two potential pipeline transport systems transporting CO₂ from Jänschwalde (Lusatia, in the east of Germany) a) to a CO₂ hub at the port of Rotterdam and b) to a saline aquifer storage site under the North Sea. Using these case studies, the design of the transport system is presented, the static and dynamic operation characteristics of the pipelines and of the injection well are generated and evaluated in terms of effects of dynamic load conditions on the operation procedures. Modeling was done using the OLGA Dynamic Multiphase Flow Simulator of Schlumberger. Validation of the used submodels was carried out by simulation of historic load conditions using measurement data of the Canyon Reef Carrier Pipeline in Texas and the CO₂ storage pilot plant in Ketzin, west of Potsdam. The main models comprise a) a pipeline from the power plant site to the loading station at the port of Rotterdam and b) a pipeline from the power plant site to the sea ground, the injection well and the aquifer storage. The models allow simulating the thermohydraulic processes in the pipelines and in the injection well up to the boundary to the storage site. The case studies comprise static load characteristics, defined load cycles and discrete load steps, load curves based on historical measurement data of power plants as well as typical operation like start up and shut down, blow out and the effects of a pipe wall rupture. Overall, 66 cases are simulated and evaluated. The major results are pressure curves, heat transfer and heat storage processes and the dynamic system behavior under flexible load conditions. Based on the simulation results, the pipeline systems are characterized and the dynamic processes are evaluated in terms of effects on operation and design criteria. It is shown that pipelines are able to fulfill the transport task and that they can be operated permanently and safely using basic process monitoring and process control measures. Problematic processes are discussed in detail and control strategies to guarantee a safe operation are shown. KW - Pipelinetransport KW - CCS Kraftwerk KW - CCS power plant KW - CO2 KW - Pipeline transport KW - Kohlendioxid KW - Pipeline KW - Transport Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-38937 ER - TY - THES A1 - Wiedemann, Philipp T1 - Modellierung und numerische Simulation der konvektiven Trocknung von Braunkohlepartikeln in einer blasenbildenden Wirbelschicht T1 - Mathematical modeling and numerical simulation regarding the convective drying of lignite particles in a bubbling fluidized bed N2 - In der vorliegenden Arbeit werden die Modellierung und die numerische Simulation von Strömung, Wärme- 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 Überblick zum aktuellen Stand der Forschung wird der Bedarf nach einer geeigneten Konfiguration von Modellparametern und Submodellen hinsichtlich der Strömungsmodellierung sowie nach der Implementierung eines Trocknungsmodells abgeleitet und als Zielsetzung formuliert. Experimentelle Voruntersuchungen an einer Wirbelschichtanlage im Labormaßstab schaffen die Datenbasis für die spätere Validierung des Modells. Dabei erfolgt zunächst eine Betrachtung einzelner Zustandspunkte von diskontinuierlichen Trocknungsprozessen, um die darin auftretenden, strömungstechnischen Veränderungen zu quantifizieren. Zur Bewertung werden die makroskopischen Eigenschaften sowie Charakteristiken meso- und mikroskaliger Strömungstrukturen herangezogen, die sich aus der Analyse von Druckfluktuationen ergeben. Des Weiteren werden die Trocknungsverläufe mehrerer Chargen für verschiedene Betriebsparameter aufgezeichnet. In einem ersten Untersuchungsschwerpunkt werden ausschließlich strömungsmechanische Aspekte fokussiert. Auf Basis umfangreicher Sensitivitätsanalysen zu den Einflüssen der rheologisch relevanten Parameter, der Impulsaustauschfunktion einschließlich der Partikelsphärizität und der Randbedingungen für Behälterwand und Gaseinlass, sowie durch Vergleiche mit den experimentellen Daten wird eine Parameterkonfiguration des Strömungsmodells vorgeschlagen. Die damit erzielten Ergebnisse sind insgesamt zufriedenstellend 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 berücksichtigt, wobei die eigens implementierte Trocknungskinetik auf Ebene der Partikel ansetzt. Die Einflüsse der Sphärizität und zwei verschiedener Formulierungen zur Berechnung der Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten werden untersucht. Für den favorisierten Parametersatz werden die Simulationen mit einem expliziten Vorwärtsverfahren gekoppelt, wodurch die Trocknungsverläufe auf makroskopischer Zeitskale approximiert und somit mit den experimentellen Daten verglichen werden können. Es wird gezeigt, dass das vorgeschlagene Gesamtmodell die Trocknungsverläufe bei niedrigen bis mäßigen Leerrohrgeschwindigkeiten zuverlässig abbilden kann. Auftretende Diskrepanzen werden diskutiert und weiterer Entwicklungsbedarf abgeleitet. N2 - The present thesis deals with mathematical modeling and numerical simulation of hydrodynamics, heat and mass transfer in order to reproduce the drying process of lignite particles inside a bubbling fluidized bed. The Eulerian-Eulerian Two Fluid Model is applied and the rheological behavior of the solid phase is modeled by means of Kinetic Theory of Granular Flow. On the basis of a literature review the demand for an appropriate configuration of parameters and sub-models of the hydrodynamic model as well as for the implementation of a drying model is deduced and treated as objective of the study. The database for validation purposes is created by preliminary experiments with a lab-scale fluidized bed apparatus. At first, several single points of a batch drying process are investigated in order to quantify the changes in the flow behavior that occur during the process. The evaluation is accomplished by macroscopic properties as well as characteristics of meso- and microscopic flow structures that are taken from analysis of pressure fluctuations. Furthermore, the drying curves of several samples are recorded at different operating conditions. The first part of the investigation focuses on hydrodynamics exclusively. Basing on extensive sensitivity analyses for investigating the influence of rheological parameters, the drag function including the particle sphericity, the wall and inlet boundary conditions, as well as by comparison with experimental data, a suitable parameter configuration is proposed for the hydrodynamic model. The corresponding results of the simulations are satisfactory and correctly reproduce the changes of the flow. Deviations in comparison to the experiments are discussed. Secondly, heat and mass transfer mechanisms are considered in order to describe the drying process. The implemented drying kinetics are modeled on particle scale. The numerical investigations encompass the influence of particle sphericity and two different correlations for calculating the heat and mass transfer coefficients. Subsequently, simulations with the favored parameter set are performed in combination with the explicit Euler method, which enables the approximation of the drying process on macroscopic time scale and thus comparison with the experimental data. It is shown that the proposed model is capable for reproducing the drying behavior at low and moderate superficial gas velocities. Existing discrepancies are discussed and need for further research and development is derived. KW - Numerische Strömungssimulation KW - Wirbelschicht KW - Trocknung KW - Braunkohle KW - Two Fluid Model KW - Computational fluid dynamics KW - Fluidized bed KW - Drying KW - Lignite KW - Two Fluid Model KW - Braunkohle KW - Konvektionstrocknung KW - Wirbelschichtverfahren KW - Numerische Strömungssimulation Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-48439 ER - TY - THES A1 - Lisk, Alexander T1 - Korrosions- und Aufkohlungsprozesse von Dampferzeugerwerkstoffen unter Berücksichtigung der Aschedepositionen T1 - Corrosion and carburisation processes of boiler materials under consideration of ash deposits N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurden Dampferzeuger-Werkstoffe mit Chromgehalten von 0,1 bis 12 Ma.-% hinsichtlich ihres Korrosionsverhaltens unter konventionellen und Oxyfuel-Betriebsbedingungen untersucht. Dabei stand neben der Gasphasenkorrosion auch die Korrosion unter Beteiligung von Aschedepositionen im Fokus der Untersuchungen. Die Auslagerung der Werkstoffe erfolgte durch eine kombinierte Versuchsanordnung aus Technikumanlage und einem eigens errichteten Labor-Korrosionsversuchsstand, wobei eine Gesamtauslagerungsdauer von 1.110 Stunden realisiert wurde. Dabei konnte das in der Technikumanlage begonnene Schichtwachstum im Labor-Korrosionsversuchsstand erfolgreich weitergeführt werden. Mit Hilfe der kombinierten Versuchsanordnung, insbesondere des Labor-Korrosionsversuchsstandes, konnten reale Betriebsbedingungen erfolgreich simuliert werden. Nach erfolgter Auslagerung in der Feuerungsanlage zeigten die Proben beginnende Korrosionserscheinungen an den Werkstoffoberflächen. Die Untersuchungsergebnisse der einzelnen Werkstoffproben hinsichtlich des Korrosionsverhaltens ließen jedoch kaum Unterschiede zwischen höher und niedrig legierten Werkstoffen erkennen. Wie bei anderen Autoren konnte nur am Werkstoff mit 9-12 Ma.-% Chromgehalt (Werkstoff VM12SHC) Aufkohlung festgestellt werden. Dabei hat die Aufkohlungstiefe gegenüber den Proben nach 110 Stunden Auslagerungszeit unter allen Betriebsbedingungen zugenommen. Die werkstofftechnischen Analysen nach der Auslagerung im Labor-Korrosionsversuchsstand zeigte eine deutliche Abnahme großer Poren in den Oxidschichten. Die Anwesenheit von Aschedepositionen führt zur Ausbildung dickerer Oxidschichten. Ursache sind Reaktionen zwischen den gebildeten Oxidschichten und den angelagerten Aschepartikeln unter Ausbildung einer Reaktionsschicht. Die bei steigendem Chromgehalt in den Werkstoffen zu erwartende Abnahme der Korrosionsaktivität durch die Bildung einer schützenden Eisen-Chrom-Spinellschicht ist aufgrund der geringen Auslagerungstemperatur von 490°C nicht eingetreten. Mit Hilfe der in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass bei niedrigen Temperaturen (T = 490°C) auch für Werkstoffe mit Chromgehalten von 0,1-6 Ma.-% Chrom konstante parabolische Wachstumsraten auftreten. Es konnten keine Vorteile im Hinblick auf geringere Korrosionsraten analysiert werden. Inwiefern die Werkstoffe bei der Temperatur von 490°C auch ein anormales Oxidationsverhalten aufweisen, könnte im Rahmen einer separaten Arbeit erforscht werden. Sowohl die berechneten als auch die gemessenen Abzehrungsraten an den untersuchten Werkstoffen liegen über den zu erwartenden, normalbedingten Abzehrungsraten, sind jedoch als nicht kritisch einzustufen. Für die realisierten Auslagerungsbedingungen (T = 490°C, p = 1 bar) ist unter Oxyfuel-Bedingungen, sowohl mit als auch ohne Aschedepositionen, keine erhöhte Korrosion feststellbar. Die ermittelten parabolischen Wachstumskonstanten weisen die gleiche Größenordnung wie die in der Literatur verfügbaren parabolischen Wachstumsraten auf. Dementsprechend befanden sich die untersuchten Korrosionsprozesse sich noch nicht in einem Langzeitgleichgewicht. Die untersuchten Werkstoffe wurden im Hinblick auf ihre Korrosionsbeständigkeit anhand der Untersuchungsergebnisse eingestuft. Darüber hinaus erfolgte unter Berücksichtigung der Beschaffungskosten für die untersuchten Werkstoffe eine Erweiterung in Form eines kommerziellen Rankings. Die Werkstoffe 13CrMo4-5 und 16Mo3 weisen das beste Preis- / Leistungsverhältnis auf. Diese Werkstoffe können unter den realisierten Bedingungen ohne Einschränkungen hinsichtlich der Lebensdauer und der Kosten eingesetzt werden. Der Werkstoff 10CrMo9-10 weist teilweise höhere Korrosionsraten als die Werkstoffe 7CrMoVTiB10-10 und VM12SHC auf, ist jedoch deutlich kostengünstiger zu beschaffen. Deshalb erfolgt im kommerziellen Ranking die Einordnung des Werkstoffes 10CrMo9-10 vor den Werkstoffen 7CrMoVTiB10-10 und VM12SHC. N2 - Within the scope of this work steam generator materials with chromium contents from 0.1 to 12 Ma.-% were examined concerning its corrosion behaviour under conventional and Oxyfuel operating conditions. In addition to the gas phase corrosion the corrosion with participation of ash deposit is in the focus of investigation. The corroding of the materials occurred through a combined test arrangement from a furnace test rig and a specially established lab-corrosion test rig. A total aging time of 1110 hours was realized. The layer growth begun in the furnace test rig and could be continued in the lab-corrosion test rig successfully. With the help of the combined test arrangement, in particular of the lab-corrosion test rig, real operating conditions could be simulated successfully. After exposure in the furnace test rig the samples showed incipient corrosion on the material surfaces. However, the investigation results of the individual samples of material regarding the corrosion behavior revealed scarcely differences between higher and low alloyed materials. Only on material with 12 Ma-% chromium content (material VM12SHC) carburization was determined. In this case the carburization depth has increased compared to the samples after 110 hours of exposure time, under all operating conditions. The material analysis showed a marked decrease of large pores in the oxide layers after aging in the laboratory corrosion test rig. The presence of ash deposition leads to the formation of thicker oxide layers. This caused by reactions between the oxide layers formed and deposited ash particles to form a reaction layer. The expected decrease of the chromium activity at increasing chromium content through the formation of a protective iron-chromium spinel has not occurred due to the low operating temperature of 490°C. Constant parabolic growth rates were showed in this thesis also for materials a chromium content of 0.1-6 Ma-% at low temperatures (T = 490°C). No benefits were analyzed in terms of lower corrosion rates. To what extent the materials at the temperature of 490°C also exhibit an abnormal oxidation behavior could be explored as part of a separate work. Both the calculated and the measured material losts of the investigated materials exceed the expected material lost at normal conditions, but are classified as non-critical. No increased corrosion was detected at the realized operating conditions (T = 490°C, p = 1 bar) for the Oxyfuel conditions, both with and without ash deposition. The calculated parabolic growth constants have the same order of magnitude as parabolic growth rates available from literature. Accordingly, the investigated corrosion processes, were not yet in a long-term equilibrium. The examined materials were classified in view of her corrosion resistance with the help of the investigation results. In addition a commercial ranking of the examined materials was established considering the acquisition costs. The materials 13CrMo4-5 and 16Mo3 show the best price / achievement relation. These materials can be used under the realized conditions without restrictions concerning the life span and the costs. The material 10CrMo9-10 partially shows higher corrosion rates than the materials 7CrMoVTiB10-10 and VM12SHC but it is cheaper. Therefore the material 10CrMo9-10 is better than the materials 7CrMoVTiB10-10 and VM12SHC in the commercial ranking. KW - Dampferzeuger KW - Werkstoff KW - Oxyfuel-Verfahren KW - Asche KW - Korrosion KW - Werkstoffe KW - Korrosion KW - Hochtemperaturkorrosion KW - Oxyfuel KW - Asche KW - Materials KW - Corrosion KW - High Temperature Corrosion KW - Oxyfuel KW - Ash Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29341 ER - TY - THES A1 - Merzsch, Matthias T1 - Wärmeübergang und Druckverlust bei der Kondensation von Wasserdampf im horizontalen Rohr bei Drücken bis 10 bar T1 - Heat transfer and pressure loss during condensation of steam in a horizontal pipe at pressures up to 10 bar N2 - In der vorliegenden Arbeit wird die Kondensation von Wasserdampf im horizontalen Rohr bei Drücken bis 10 bar im Hinblick auf das Wärmeübertragungsverhalten und die entstehenden Druckdifferenzen untersucht. Um hierfür eine entsprechende Ausgangsbasis zu schaffen, werden im ersten Teil der Arbeit die bereits veröffentlichten experimentellen Untersuchungen zum Thema zusammengefasst und diskutiert. Anschließend werden die vorhandenen theoretischen Grundlagen der Hydrodynamik von Zweiphasenströmungen sowie zum Wärmeübertragungsverhalten dargelegt. Dabei wird jeweils auf die bestehenden Schwierigkeiten bei der physikalischen Beschreibung der Phänomene und damit einhergehenden Unsicherheiten bei der Berechnung von Zielgrößen aufmerksam gemacht. Zur Berechnung des Reibungsdruckverlustes werden die Modelle von Friedel und Lockhart/Martinelli und zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten die Modelle von Thome, Shah, Cavallini, Numrich/Müller, Dobson/Chato sowie Huhn gegenübergestellt. Der eigentliche Schwerpunkt der Arbeit liegt daran anschließend bei der experimentellen Bestimmung der beiden Zielgrößen - spezifischer Druckverlust und Wärmeübergangskoeffizient - bei absoluten Sattdampfdrücken 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 Doppelrohrwärmeübertragern (Innendurchmesser Kondensationsrohr: 20,5 mm) lassen sich die benötigten lokalen Temperaturinformationen in Abhängigkeit des Kondensationsfortschrittes generieren, indem unter Konstanthalten der Ein- bzw. Austrittsbedingungen (Sattdampfdruck und -massenstrom, Kühlwassertemperatur und -durchsatz) die Anzahl durchströmter Wärmeübertrager variiert wird. Mit in Summe 63 Versuchspunkten bei drei Druckstufen und jeweils fünf Eintrittsgeschwindigkeiten werden 15 Wärmeübergangs- und Druckverlustverläufe als Funktion des Kondensatanteils bzw. der Rohrlängskoordinate ermittelt. Der Vergleich der experimentellen Befunde mit den vorgestellten und bekannten Theorien zeigt zum Teil starke Abweichungen und nicht wiedergegebene Abhängigkeiten. Die mittleren relativen Abweichungen zwischen experimentellen und von den bestehenden Modellvorstellungen berechneten Wärmeübergangskoeffizienten liegen zwischen 16…42 %. Ausgehend von den experimentellen Befunden dieser Arbeit werden Berechnungsgleichungen für den lokalen Wärmeübergangskoeffizienten sowie den spezifischen Druckverlust entwickelt. Der darüber hinaus durchgeführte Abgleich mit experimentellen Befunden aus der Literatur führt dazu, dass ein breiterer Parameterbereich erfasst wird, als der in dieser Arbeit experimentell untersuchte. Die entwickelten Berechnungsmodelle ermöglichen eine deutlich bessere Vorhersage von Wärmeübergang und Druckverlust als die bestehenden Modellvorstellungen. Aufgrund der komplexen Phänomenologie 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. N2 - In this dissertation, the condensation of water vapour in a horizontal pipe at pressures up to 10 bar is investigated with regard to the heat transfer behaviour and the resulting pressure differences. In order to create an appropriate starting point, the first part of the work summarizes and discusses the already published experimental studies on the topic. Subsequently, the existing theoretical foundations of the hydrodynamics and the heat transfer behaviour of two-phase flows are presented. In each case, attention is drawn to the existing difficulties in the physical description of the phenomena and the associated uncertainties in the calculation of target values. To calculate the friction pressure loss, the models of Friedel and Lockhart/Martinelli and to calculate the heat transfer coefficient, the models of Thome, Shah, Cavallini, Numrich/Müller, Dobsen/Chato and Huhn are compared. The actual focus of this work is the experimental determination of the two target variables – specific pressure drop and heat transfer coefficient – at absolute saturated steam pressures between 4...10 bar and inlet velocities up to 21.5 m/s. The development and installation of the necessary test equipment was carried out within the scope of this work. With eight geometrically identical double-pipe heat exchangers (inner diameter of condensation pipe: 20.5 mm), the required local temperature information can be generated depending on the progress of the condensation. The inlet and outlet conditions (saturated steam pressure and mass flow, cooling water temperature and flow rate) were kept constant, while the number of flow heat exchangers varied. With a total of 63 test points at three pressure stages and five inlet speeds each, 15 heat transfer and pressure loss curves were determined as a function of the condensate content or the pipe longitudinal coordinate. The comparison of the experimental findings and the presented and known theories partly shows strong deviations. Furthermore, dependencies could not be confirmed based on the results of the experiments. The mean relative deviations between the experimental heat transfer coefficients and those calculated from existing models are between 16...42 %. Based on the experimental findings of this work, calculation equations for the local heat transfer coefficient and the specific pressure drop were developed. The additional comparison with experimental findings from the literature leads to a broader range of parameters being covered than those experimentally investigated in this work. The calculation models developed enable a significantly better prediction of heat transfer and pressure loss than the existing models. However, due to the complex phenomenology of the condensation process in horizontal pipes, extrapolation still involves risks. The recommended procedure for further research in this field is given in the outlook of this work. KW - Kondensation KW - Wärmeübergang KW - Druckverlust KW - Wasserdampf KW - Horizontales Rohr KW - Condensation KW - Heat transfer KW - Pressure loss KW - Steam KW - Horizontal pipe KW - Kondensatorrohr KW - Wasserdampf KW - Kondensation KW - Wärmeübergang KW - Druckabfall Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-50775 ER - TY - THES A1 - Asegehegn, Teklay Weldeabzgi T1 - Investigation of bubble hydrodynamics in gas-solid fluidized beds containing immersed horizontal tube banks for lignite drying application T1 - Untersuchung der Blasenhydrodynamik in Gas-Feststoff-Wirbelschichten mit eingetauchten, horizontalen Rohrbündeln zur Anwendung der Braunkohletrocknung N2 - In bubbling fluidized beds, bubble characteristics such as size, shape and velocity have a vital influence on the hydrodynamics of the bed and hence on its performance as a chemical reactor and/or a heat exchange unit. In many industrial applications such as lignite dryer heat transfer tubes are usually inserted to enhance the rate of heat and mass transfer and chemical conversion. However, their presence strongly influences the bubbling behavior of the beds. Therefore, reliable design and scale-up of these systems come only after fundamental understanding of the bubbling behavior is achieved. Therefore, in this research work the influences of tube bank geometries and particle size on bubble characteristics were thoroughly investigated. In this research work, both numerical and experimental studies were employed. For the experimental measurements, a new nonintrusive digital image analysis technique was developed. The technique allowed for the simultaneous measurements of bed expansion and various bubble properties. An in-house software was developed to fully automate the image acquisition and data processing procedure. For the numerical studies, the Eulerian-Eulerian two-fluid model based on the kinetic theory of granular flow was used. Though, this CFD model has been considered as a fundamental tool for modeling gas-solid fluidized beds, its quantitative validation remains insufficient for a wide range of reactor geometries and operating conditions. Therefore, in this work validation of the model using experimental measurements of bed expansion and bubble properties obtained from a pseudo-two-dimensional fluidized bed was performed. The influence of two-dimensional simulations and different modeling parameters such as the friction packing limit, drag model and solid-wall boundary conditions were investigated. The two-fluid model generally showed reasonable agreement with the experimental measurements of pressure drop, bed expansion and bubble properties in bubbling regime. However, as the gas superficial velocity is increased and the bed moved towards slugging and turbulent regimes a big deviation arose and the two-fluid model failed to predict reasonably the fluidized bed hydrodynamics for the freely bubbling bed. The mean bubble properties predicted by two-dimensional simulations were in reasonable agreement with experiments at lower superficial velocities. They deviated at higher bed height and this was more pronounced at higher gas superficial velocities. The results from three-dimensional simulations were in better agreement with the experimental measurements; however, the computational effort need was very high making them impractical for parametric studies and sensitivity analyses. It was also showed that the choice of friction packing limits, drag laws and specularity coefficients have little influence on the bubble properties. For a bubbling bed, both experimental measurements and numerical simulations showed that inserting horizontal tube banks had either no or marginal influence on the static bed pressure drop and bed expansion. On the other hand, bubble hydrodynamics were strongly influenced and controlled by the geometry of the immersed tubes. In freely bubbling fluidized beds bubble size as well as rise velocity increased with bed height and superficial velocity. In beds with immersed tubes, such general trends were completely disturbed. Tubes appeared to restrict rapidly growing bubbles. As a result the mean bubble diameter and rise velocity were lower in the vicinity of the tube banks than in the freely bubbling bed. Results from different particle sizes showed that in a freely bubbling bed increasing the mean particle size increased the bubble diameter and rise velocity as well as bed expansion. In fluidized beds with dense horizontal tubes on the other hand, the mean bubble properties were almost independent of the particle sizes. N2 - In blasenbildenden Wirbelschichten haben die Eigenschaften der Blasen wie Größe, Form und Geschwindigkeit einen grundlegenden Einfluss auf die Hydrodynamik der Wirbelschicht und damit auf die Leistungsfähigkeit als verfahrenstechnischer Reaktor und/oder Wärmeübertragungseinheit. In vielen industriellen Anwendungen, wie der Trocknung von Braunkohle, werden Rohre eingebracht, um die Wärme- und Stoffübertragung sowie chemische Umwandlungen zu verbessern. Ihre Anwesenheit beeinflusst das Verhalten der Blasen stark. Daher kann eine zuverlässige Auslegung und ein Scale-up dieser Systeme nur mit einem grundlegenden Verständnis des Blasenverhaltens erreicht werden. In dieser Forschungsarbeit wurde der Einfluss der Rohranordnungen und Partikelgröße auf die Blaseneigenschaften untersucht. Zu diesem Zweck wurden sowohl numerische als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Für die experimentellen Messungen wurde eine neuartige, nicht-intrusive Bildanalysetechnik entwickelt. Sie erlaubt eine simultane Messung der Wirbelschichtausdehnung und verschiedener Blaseneigenschaften. Um die Bildverarbeitung und -analyse vollständig zu automatisieren, wurde eigens eine Software entwickelt. Für die numerischen Untersuchungen wurde das Euler-Euler Two-Fluid Model basierend auf der Kinetic Theory of Granular Flow angewendet. Dieses CFD-Modell wird als grundlegendes Hilfsmittel zur Modellierung von Gas-Feststoff-Wirbelschichten angesehen und wurde in den letzten Jahrzehnten intensiv angewendet. Dennoch ist seine Validierung für einen weiten Bereich von Reaktorgeometrien und Betriebsbedingungen unzureichend. In dieser Arbeit wurde die Validierung des Modells mittels experimenteller Messungen von Wirbelschichtausdehnung und Blaseneigenschaften in einer quasi-2D Wirbelschicht durchgeführt. Der Einfluss zweidimensionaler Simulation und verschiedener Parameter wie dem Reibungspackungslimit, dem Widerstandsmodell und der Partikel-Wand-Randbedingungen wurde untersucht. Das Two-Fluid Model zeigt im Allgemeinen eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Messungen von Druckverlust, Wirbelschichtausdehnung und Blaseneigenschaften im blasenbildenden Regime. Bei höheren Geschwindigkeiten, wenn sich die Wirbelschicht im stoßenden oder turbulenten Regime befindet, stiegen allerdings die Abweichungen an und das Two-Fluid Model konnte die Wirbelschichthydrodynamik für freie Wirbelschichten nicht mehr zuverlässig berechnen. Die von zweidimensionalen Simulationen ermittelten mittleren Blaseneigenschaften waren für niedrigere Leerrohrgeschwindigkeiten in guter Übereinstimmung mit dem Experiment. Sie wichen in größerer Höhe und insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten zunehmend davon ab. Obwohl die Ergebnisse dreidimensionaler Simulationen besser mit den experimentellen Messungen übereinstimmten, machte der extrem hohe Rechenaufwand diese für parametrische Studien und Sensitivitätsanalysen unmöglich. Es zeigte sich ebenfalls, dass die Wahl des Reibungspackungslimits, Widerstandsmodells und Reflektionskoeffizienten nur einen geringen Einfluss auf die Blaseneigenschaften hat. Für blasenbildende Wirbelschichten zeigten experimentelle Messungen und numerische Simulationen, dass eingetauchte horizontale Rohrbündel keinen oder nur einen marginalen Einfluss auf den Druckverlust und die Wirbelschichtausdehnung haben. Die Blasenhydrodynamik wurde demgegenüber stark von der Anordnung der eingetauchten Rohre beeinflusst und bestimmt. In freien, blasenbildenden Wirbelschichten stieg die Blasengröße und -geschwindigkeit mit zunehmender Höhe und Leerrohrgeschwindigkeit an. In Wirbelschichten mit eingetauchten Rohren wurden solche generellen Trends gestört. Die Rohre beschränken ein schnelles Wachsen der Blasen. Als Folge daraus waren die mittleren Blasengrößen und -geschwindigkeiten in der Nähe der Rohrbündel geringer als in freien blasenbildenden Wirbelschichten. Ergebnisse von unterschiedlichen Partikelgrößen zeigten, dass Blasengröße, -aufstiegsgeschwindigkeit und Wirbelschichtausdehnung in freien Wirbelschichten mit zunehmender mittlerer Partikelgröße ansteigen. In Wirbelschichten mit dicht gepackten horizontalen Rohren waren die mittleren Blaseneigenschaften demgegenüber nahezu unabhängig von den Partikelgrößen. KW - Wirbelschicht KW - Blase KW - Hydrodynamik KW - Zweiphasenströmung KW - Bildanalyse KW - Wirbelschicht KW - Blasenhydrodynamik KW - Eingetauchte horizontale Rohre KW - Two-Fluid Model KW - Automatisierte Bildanalyse KW - Fluidized Beds KW - Bubble Hydrodynamics KW - Immersed Horizontal Tubes KW - Two-Fluid Model KW - Digital Image Analysis Technique Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-23578 ER - TY - THES A1 - Schreiber, Matthias T1 - Modellierung von Hydrodynamik und Wärmeübertragung in blasenbildenden Wirbelschichten zur Trocknung von Braunkohle T1 - Modeling of hydrodynamics and heat transfer in bubbling fluidized beds for drying of lignite N2 - In der vorliegenden Arbeit wird die numerische Modellierung der Hydrodynamik und Wärmeübertragung in blasenbildenden Wirbelschichten bestehend aus Braunkohlepartikeln untersucht. Zur Validierung der aus den Simulationen extrahierten Daten stehen zwei verschiedene Versuchsanlagen zur Verfügung. In einem quasi-2D Wirbelschichtkaltmodell können hydrodynamische Größen gemessen werden. Mithilfe transparenter Vorder- und Rückwände der Wirbelschicht kann eine automatische Bildanalyse per Digital Image Analysis Technique (DIAT) durchgeführt werden, um die Eigenschaften der aufsteigenden Blasen ermitteln zu können. Eine weitere zylindrische Wirbelschichtanlage mit einem einzelnen, horizontal eingetauchten Rohr dient zur Bestimmung des Wärmeübergangs von dem Rohr in die Wirbelschicht. Der Wärmeübergangskoeffizient wird dabei über eine Sonde gemessen, welche die Ermittlung der lokalen Verteilung der Werte über dem Gesamtumfang ermöglicht. 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 abschätzen und passende Einstellungen ableiten zu können. Dies beinhaltet die Diskretisierung der konvektiven Terme in den Erhaltungsgleichungen, die gewählten Konvergenzkriterien und Zeitschrittweiten, die mindestens notwendigen Simulationsdauern und Mittelungszeiträume sowie die Auflösung 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 Tauchheizflächen durchgeführten Vergleiche werden anhand der experimentell ermittelten Versuchsergebnisse validiert. Die individuelle Wirkung der unterschiedlichen Parameterwerte und Submodelle ist im Allgemeinen in freien Wirbelschichten größer und deutlicher voneinander abgrenzbar als in den Wirbelschichten mit den Strömungswiderständen. Deren Einfluss ist aufgrund ihrer dichten Anordnung dominierend. Von den untersuchten Größen stellt die Impulsaustauschfunktion den bedeutendsten Faktor zur adäquaten Beschreibung der Hydrodynamik der Wirbelschicht dar. Für die Untersuchung der Wärmeübertragung in Braunkohlewirbelschichten werden verschiedene Ansätze zur Modellierung der Wärmeleitfähigkeiten von Gas- und Feststoffphase betrachtet. Neben einem Standardmodell für die Wirbelschicht gehören dazu ebenfalls zwei unterschiedliche Methoden zur Einbeziehung von Effekten, die in unmittelbarer Nähe eingetauchter Oberflächen zu beachten sind und die lokale Wärmeleitfähigkeit der Gas-Partikel-Suspension beeinflussen. Die Simulationen mit den genannten Modellen zur Beschreibung der Wärmeleitfähigkeiten werden mittels globaler und lokaler Mittelwerte der sich ergebenden Wärmeübergangskoeffizienten an einem eingetauchten, horizontalen Einzelrohr miteinander und den experimentell gewonnenen Daten verglichen. Zusätzlich erfolgt eine Variation der Leerrohrgeschwindigkeit sowie eine getrennte Diskussion der gas- und partikelkonvektiven Anteile. Die Resultate zeigen, dass ein Wärmeleitungsansatz in der Nähe einer Übertragerfläche zu deutlich niedrigeren Wärmeübergangskoeffizienten als die anderen beiden führt, da er dort für die Feststoffphase geringere Wärmeleitfähigkeiten annimmt. Weiterhin kann in den Simulationen unabhängig von Partikeldurchmesser und Geschwindigkeit ein starker Abfall der erzielten Wärmeübertragung im Bereich der Rohrflanken beobachtet werden, welcher die größte qualitative Abweichung zwischen den Daten aus den Simulationen und Experimenten darstellt. In einer Diskussion werden die Gründe für diese Diskrepanz beleuchtet. N2 - In this work the numerical modeling of hydrodynamics and heat transfer in bubbling fluidized beds of lignite particles is investigated. For validating the extracted data from the simulations two different test rigs are available. In a pseudo-2D fluidized bed cold model hydrodynamic properties can be measured. With the help of transparent front and back walls a digital image analysis technique can be applied to measure the properties of the rising bubbles. A further cylindrical fluidized bed with a single horizontal immersed tube serves to determine the tube-to-bed heat transfer. The heat transfer coefficient is thereby measured by a probe, which allows the determination of the local distribution of the values along the whole perimeter. In both test rigs sieved dry lignite particles were used. An investigation of simulation parameters and grids in order to quantify their influence on the results and derive suitable settings was done preliminary to the main topic of the work. This includes the discretization of the convective terms of the governing equations, the chosen convergence criteria and time steps sizes, the minimum simulation and averaging time as well as the resolution and the dimension of the grid. To model the hydrodynamics of the lignite fluidized beds the Euler-Euler Two Fluid Model (TFM) and the Kinetic Theory of Granular Flow (KTGF) are applied and the main particle relevant model parameters and sub-models are investigated. The comparisons are done in fluidized beds with and without densely packed immersed tube bundles and validated with experimental data. The influence of the different parameters and sub-models is more evident and visible in fluidized beds without than with internal obstacles. From the investigated factors the inter-phase momentum transfer is the most important one to describe the hydrodynamics of lignite fluidized beds adequately. For the investigation of the heat transfer in lignite fluidized beds different approaches to model the heat conductivities of the gas and solid phase are considered. Besides a standard model two different methods to account for effects, which take place near to immersed surfaces and influence the local heat conductivity of the gas-particle-suspension, are included. The simulations are compared with each other and experimental data via global and local averages of the heat transfer coefficients from a single immersed horizontal tube to the fluidized bed. Additionally the superficial velocity is varied and the gas and particle convective contributions are discussed separately. The results show that one approach leads to significantly lower heat transfer coefficients than the other two, as it gives a lower heat conductivity of the solid phase. Furthermore, independent of particle diameters and velocities, a significant reduction of the heat transfer at the left and right side of the tube, which is the largest qualitative deviation between the simulations and the experiments, can be observed. In a discussion reasons for this discrepancy are given. KW - Braunkohle KW - Trocknung KW - Wirbelschichtverfahren KW - Hydrodynamik KW - Wärmeübertragung KW - Hydrodynamik KW - Wärmeübertragung KW - Blasenbildende Wirbelschicht KW - Braunkohle KW - Numerische Strömungssimulation KW - Hydrodynamics KW - Heat transfer KW - Bubbling fluidized bed KW - Lignite KW - Numerical simulation Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27263 ER - TY - THES A1 - Lechner, Stefan T1 - Untersuchungen zur Berechnung und Optimierung des Wärmeübergangs bei der Dampfwirbelschicht-Trocknung am Beispiel von Lausitzer Braunkohlen T1 - Investigations for calculation and improvement of heat transfer in steam fluidized bed drying, using the example of Lusatian lignite N2 - Die vorliegende Arbeit behandelt den Wärmeübergang in Wirbelschichten mit horizontalen Wärmetauscherflächen in Form von Einzelrohren oder Rohrbündeln. Die zugrunde liegende Anwendung ist die (Druckaufgeladene) Dampfwirbelschicht-Trocknung von Braunkohle, welche auf eine Korngröße von 0-2 mm aufgemahlen ist ("Feinkorn", Sauterdurchmesser < 85 Mikrometer), was den Anforderungen von Staubbrennern im Kraftwerk genügt. In diesen Wirbelschichten dominiert deutlich der partikelkonvektive Wärmeübergangsmechanismus. 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 Widersprüche bezüglich der Vorhersage des Wärmeübergangs bei unterschiedlichen Einzelrohr- und Rohrbündelgeometrien. Untersuchungsbereiche in der Arbeit sind die Wärmetauschergeometrie, der Einfluss von Korngrößenverteilung und beheizten Nachbarrohren im Rohrbündel sowie die Effekte der Anwesenheit und gleichzeitigen Verdampfung von Wasser. Die Vorhersagegüte der anerkannten Theorien von Martin und Molerus/Dietz wird anhand des (D)DWT-Verfahrens bezüglich des Wärmeübergangs vom Heizrohr in die Wirbelschicht überprüft. Dabei stellt sich die Verwendung des Martindurchmessers zur Beschreibung des stark polydispersen Wirbelgutes als geeignet heraus. Das zusätzlich eingeführte 40-my-Kriterium wurde als geeigneter Standard zum Vergleich von feinkörnig aufgemahlenen Braunkohlen unterschiedlicher Herkunft identifiziert. Die Auswirkungen des Rohrdurchmessers auf den Wärmeübergang wurden über den weiten Bereich von 12 - 200 mm untersucht und in die Theorie implementiert. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die Untersuchung unterschiedlicher Rohrbündelgeometrien, insbesondere mit versetzter Rohranordnung, zur Herleitung eines auf geometrischen dimensionslosen Kennzahlen basierenden Rohrbündelfaktors, welcher die Reduktion des Wärmeübergangskoeffizienten am Rohrbündel im Vergleich zum Einzelrohr vorhersagt. Die verwendeten Rohrbündel umfassten Rohrdurchmesser von 12 - 35 mm und Rohrteilungen von 1,5 bis 4,0. Die gefundenen Haupteinflussgrößen auf den Rohrbündelfaktor sind die horizontale und diagonale Teilung sowie der kleinste freie Rohrabstand zwischen den Rohren. Wichtige Randeffekte wurden ebenfalls betrachtet und diskutiert. Ergänzend wurden die Rohrbündelgeometrien anhand des spezifischen, volumenbezogenen Wärmeübergangskoeffizienten verglichen. In der Arbeit konnten relativ präzise und detaillierte Auslegungsgrundlagen für die Konstruktion von Rohrbündelwärmetauschern in Wirbelschichten erarbeitet werden. Diese umfassen den Anwendungsfall der (D)DWT, sind aber auch auf andere Feinkornwirbelschichten übertragbar. N2 - This work examines the phenomenon of heat transfer in fluidized beds equipped with horizontal heat exchanger surfaces such as single tubes and tube bundles. The underlying application is the (Pressurized) Steam Fluidized Bed Drying (P)SFBD of lignite ground to a grain size of 0-2 mm (“fine grain”, d < 85 micron), suitable for a pulverized-fuel burner, such that the dominant heat transfer mechanism is heat transport through particle convection. The various (P)SFBD and other drying processes are ranked against each other according to energy efficiency and large scale applicability. There are currently large gaps and contradictions in the state of knowledge of heat transfer phenomena and its ability to predict the influence of single tube and tube bundle geometries. This, as well as the impact of grain size distribution, heated adjacent tubes and the presence and evaporation of water, is here analyzed. The predictive quality of the well-developed theories of Martin and Molerus / Dietz are tested in their application to the (P)SFBD process, specifically the heat transfer from heating tubes to the fluidized bed, which is the focus of this work. Here the use of the Martin diameter proves useful in describing the highly polydisperse coal. The additional introduction of a 40-micron criterion creates an efficacious standard of comparison for various fine-grained lignites.The effect of tube diameter on performance has been examined over a large range of values (12 - 200 mm) and integrated into the theory. The following study of tube bundle geometry, in particular of staggered horizontal tubes, leads to the derivation of the tube bundle factor, based on dimensionless geometric numbers, which then predicts the reduction of the heat transfer coefficient compared to that of the single tube. The investigated bundles were composed of tubes of diameters 12 – 35 mm and pitch/diameter ratios of 1.5 – 4.0. The main factors influencing the tube bundle factor for a given geometry were found to be the horizontal and diagonal tube pitch as well as the minimum distance between tubes. Important edge effects are also discussed. Finally, the tube bundles are evaluated using the volume-related heat transfer coefficients. In summary, rather precise and detailed design principles are developed for the configuration of tube bundle heat exchangers, including those also used in (P)SFBD processes. KW - Lausitz KW - Braunkohle KW - Trocknung KW - Wirbelschichtverfahren KW - Wärmeübertragung KW - Wirbelschicht KW - Wirbelschichttrocknung KW - Braunkohletrocknung KW - Wärmeübergang KW - Rohrbündel KW - Fluidized bed KW - Fluidized bed drying KW - Lignite drying KW - Heat transfer KW - Tube bundle Y1 - 2012 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27120 ER -