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 -