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 - Missagia, Bruna T1 - Agricultural and forestry residues for decentralized energy generation in Brazil T1 - Land- und Forstwirtschaftsreste für die dezentrale Energieerzeugung in Brasilien N2 - Regular electricity access is a key element for the economic development and social welfare of rural areas. Decentralized energy generation has the advantage of using local resources, increasing employment and reducing transmission and distribution losses. Brazil is a tropical country, endowed with vast arable land, plentiful precipitation levels, and a large supply of human labour. Furthermore, it has strong regional distinctions with geographical, cultural and economical differences. Forestry and agriculture, important activities in the Brazilian economy, are dependent on local people and are deeply connected to traditions, nature and culture. Furthermore, these activities generate a significant amount of residues that could be used in conversion technologies for biomass, based on type, availability and market demand. When biomass were used to generate energy locally, community members could have business opportunities, improving local economy and life quality of individuals while diversifying the Brazilian energy matrix, which is mostly based on hydropower. Alternatives for implementing small-scale decentralized biomass schemes are dependent on the screening of the existing biomass supply chains, the implementation of adapted technologies for local conditions and the exploration of local resources. The present research carried out a detailed field work in order to evaluate the potential of Brazilian biomass in different regions. The author identified crucial needs, usual constraints and possible challenges of rural electrification and economic development in Brazil. Several case studies and social groups were investigated in the Federal States of Minas Gerais, São Paulo and Pará to identify different resource management strategies, which biomass technology was applied and the needs of the local population. It was concluded that the compaction of biomass to generate solid biofuels with uniform properties could be a cost-effective alternative for communities taking advantage of the resources available in the region to produce energy. Nevertheless, each case has to be considered on its own. It was concluded that energy supply and consumption should be addressed through integrated research. Scientific research should be focused on technological solutions for improving living standards and socio-economic development in rural areas. The implementation of new regulatory arrangements and a constant revision of the Brazilian energy policies are crucial for encouraging a national industry for renewables. It was also concluded that the cultural, geographical and socio-economic discrepancies of Brazil could involve challenges for the implementation of future projects, even when their development would provide benefits for Brazil as a whole. N2 - Dezentralisierte Energieerzeugung bietet den Vorteil, lokale Ressourcen zu nutzen, die Beschäftigungsquote zu erhöhen und die Energieverluste von Transport und Verteilung zu reduzieren. Brasilien ist ein Land in den Tropen mit großen Ackerflächen, hohen Niederschlägen und großen Kapazitäten an menschlicher Arbeitskraft. Es existieren große regionale Disparitäten in Bezug auf die geografische Lage, kulturelle Eigenschaften und Wirtschaftslage. Forst- und Landwirtschaft sind wichtige Teilgebiete der brasilianischen Wirtschaft und sind, abhängig von den Menschen vor Ort, eng verbunden mit verschiedensten Traditionen, kulturellen Einflüssen und der Natur. Darüberhinaus erzeugen diese Aktivitäten eine erhebliche Menge an Abfällen, die, je nach Art und Menge der Abfälle sowie der Nachfrage am Markt, bei der Erzeugung von Biomasse verwendet werden können. Wenn Biomasse verwendet werden würde, um lokal Energie zu erzeugen, hätten Mitglieder der Kommunen die Möglichkeit, die lokale Wirtschaft zu stärken und die Lebensqualität der Einzelnen zu verbessern, gleichzeitig aber auch den brasilianischen Energiemix, der aktuell zu einem Großteil aus Wasserkraft besteht, zu diversifizieren. Alternativen zur Errichtung von kleinen dezentralen Biomasseanlagen hängen von der Analyse der bestehenden Versorgungsketten für Biomasse, der Umsetzung von an die lokalen Gegebenheiten angepassten Technologien und der Erforschung neuer örtlicher Ressourcen ab. Die vorliegende Untersuchung wurde durch eine ausführliche Feldstudie realisiert, um das energetische Potential brasilianischer Biomasse in verschiedenen Regionen zu bewerten. Die Autorin identifiziert entscheidende Bedürfnisse, gewohnte Einschränkungen und mögliche Herausforderungen der Elektrifizierung und der wirtschaftlichen Entwicklung Brasiliens. Es wurden mehrere Fallstudien und soziale Gruppierungen in den Bundesstaaten Minas Gerais, São Paulo und Pará untersucht, um unterschiedliche Strategien des Ressourcen-Managements zu identifizieren und in Erfahrung zu bringen, welche Technologie für die Biomasse angewendet wurde. Des Weiteren wurden die Bedürfnisse der örtlichen Bevölkerung analysiert. Es wurde geschlussfolgert, dass die Verdichtung von Biomasse zu festen Biobrennstoffen mit gleichmäßigen Eigenschaften eine, unter Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen, kostengünstigere Alternative der Energieerzeugung für die Gemeinden der Region sein könnte. Dennoch müssen die einzelnen Fälle für sich betrachtet werden. Die Autorin kam zu dem Ergebnis, dass Energieversorgung und -verbrauch durch integrierte Forschung behandelt werden sollte. Die wissenschaftliche Forschung sollte auf technologische Lösungen für die Verbesserung des Lebensstandards und der sozio-ökonomischen Entwicklung in ländlichen Gebieten konzentriert werden. Die Umsetzung der neuen rechtlichen Regelungen und eine konstante Überprüfung der brasilianischen Energiepolitik sind entscheidend für die Förderung einer nationalen Industrie für erneuerbare Energien. Es wurde auch festgestellt, dass kulturelle, geografische und sozio-ökonomische Diskrepanzen Brasiliens eine Herausforderung für die Umsetzung von zukünftigen Projekten werden könnten, auch wenn durch ihre Entwicklung ein Nutzen für ganz Brasilien resultieren würde. KW - Brasilien KW - Biomasse KW - Bioenergieerzeugung KW - Dezentralisation KW - Feste Biomasse KW - Dezentralisierte Energieerzeugung KW - Brasilien KW - Biomass residues KW - Forestry KW - Agriculture KW - Decentralized energy generation KW - Brazil Y1 - 2011 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-25180 ER - TY - THES A1 - Corrêa da Silva, Rodrigo T1 - Investigation of pulverized, pre-dried lignite combustion under oxy-fired conditions in a large-scale laboratory furnace T1 - Untersuchung der Verbrennung von vorgetrocknetem Braunkohlestaub unter Oxyfuel-Bedingungen in einer großskaligen Laborfeuerung N2 - The oxy-fuel combustion process with subsequent CO2 storage has received attention as a promising technology for capturing CO2 from fossil fuel power plants. Recent progress in understanding pulverized coal combustion under oxy-fired conditions is attributable in part to studies performed at laboratory bench-scale. Previous investigations have underlined some significant differences between conventional air-fired and oxy-fired combustion with regard to temperature, heat flux distribution, and pollutant emissions. While most studies provide information on the impacts of O2 concentration in the feed gas, the impact of burner configuration and operating settings on oxy-coal combustion have been investigated by only a handful of studies. The present study addresses the impact of oxy-fired conditions on the chemistry and dynamics of pulverized coal flames generated by a staged feed-gas burner operating with pre-dried lignite. Investigations were carried out in a newly constructed test facility where the combustion takes place in a horizontal up-fired furnace with a rated capacity of 0.40 MWth. Since the focus of this work is on adapting oxy-fuel combustion techniques to existing furnaces, great emphasis is placed on maintaining flame temperatures and heat transfer similar to that of conventional air combustion. The strategy adopted to investigate the impacts of burner settings is divided into theoretical and experimental investigations. In the theoretical study, the combustion-related parameters are calculated based on thermodynamic balances and act as a background for the definition of some important operating settings. Non-reacting flow simulations which include the burner and part of the furnace are performed using a CFD commercial code aimed at a qualitative evaluation of feed gas distribution and swirl strength on the flow pattern formed in the near burner region. These predictions assist in the interpretation of the experimental data and in the calculation of the swirl number at the exit of the burner. During the experimental investigations, the characteristics of diffusion flames were first investigated in a parametric study to evaluate the impact of secondary swirl numbers at three levels and secondary/tertiary flow ratios on the overall combustion performance. The second part of the test program involved detailed in-flame measurements for selected flames. Measurements of local gas temperature, gas species concentrations, and radiative heat flux were performed with standard water-cooled probes with special focus on the near burner region. Theoretical and experimental studies are also carried out under air-fired conditions and used as a benchmark throughout this study. The overall O2 fraction upstream of the burner was kept at 31 vol% and was defined with basis on a similar adiabatic flame temperature as air-firing. Flame stabilization was shown to be strongly dependent on the O2 fraction of the primary stream, feed gas distribution between the secondary and tertiary registers, and strength of the secondary swirl. Type-1 flames operating at a stoichiometric ratio of 1.17 were generated under air-fired and oxy-fired conditions and investigated in detail. Detailed flow pattern and flame structure studies show evidence of radial flame stratification consistent with gradual O2 admixing to the central fuel jet. Increasing the swirl number and the secondary/tertiary flow ratio enhances the mixing of coal particles and increases the temperatures close to burner. Much lower temperatures on the flame axis are observed under oxy-fired conditions. In the same region, higher CO concentrations were also observed, possibly as a result of CO2 dissociation and/or gasification reactions by water vapor and CO2 which contribute to lower temperatures. Very low CO concentration at the furnace exit and high particle burnout indicate that oxy-fired conditions are not an obstacle to achieving a high combustion efficiency for type-1 flames. Although SO2 concentrations were higher under oxy-fired conditions, the emission rates were very similar, indicating that SO2 emissions are exclusively dependent on the sulfur content of the coal. Experimental data obtained from the parametric study and in-flame measurements suggest great potential for NO abatement through flame aerodynamics for oxy-coal combustion. The experiments demonstrate that feed gas staging in a burner is an effective technique for improving the flame stratification in fuel-rich and fuel-lean zones. In particular, a combination of high swirl and high secondary/tertiary flow ratio results in significant NO reduction. N2 - Oxyfuel-Verbrennung mit anschließender Speicherung von CO2 erhält viel Aufmerksamkeit, da sie als eine vielversprechende Technologie zur CO2-Abscheidung bei fossilen Kraftwerken gilt. Jüngste Fortschritte im Verständnis der Kohlenstaubverbrennung unter Oxyfuel-Bedingungen sind zum Teil auf Untersuchungen im Labormaßstab und Testanlagen zurückzuführen. Frühere, grundlegende Untersuchungen haben einige bedeutende Unterschiede zwischen luftgefeuerter und sauerstoffgefeuerter Verbrennung hinsichtlich Temperaturen, Wärmestromverteilung und Schadstoffemissionen aufgezeigt. Während in den meisten Studien Informationen über die Auswirkungen der O2-Konzentration im Speisegas und die Auswirkungen der Brennereinstellungen nur in wenigen Arbeiten untersucht wurden, befasst sich die vorliegende Promotion mit dem Einfluss der Oxyfuel-Verbrennung in einem gestuften Kohlestaubbrenner. Die Untersuchungen wurden in einer kürzlich erbauten Testanlage durchgeführt. Die Verbrennung erfolgt in einem zunächst horizontal und dann vertikal verlaufenden Verbrennungsraum mit einer Nennleistung von 0,40 MWth. Die Vorgehensweise zur Untersuchung der Auswirkungen von Brennereinstellungen ist grundsätzlich in theoretische und experimentelle Betrachtungen unterteilt. In dem theoretischen Teil werden die relevanten Verbrennungskenngrößen auf Basis thermodynamischer Gleichgewichte berechnet und dienen als Grundlage zur Festlegung einiger wichtiger Betriebsbedingungen. Mithilfe eines kommerziellen CFD-Codes werden Simulationen einer nicht-reagierenden Strömung im Bereich des Brenners und Teilen des Feuerraums durchgeführt, um die Verteilung des Speisegases und Drallstärke im Brennernahbereich qualitativ bewerten zu können. Diese Vorhersagen werden zur Unterstützung der physikalischen Interpretationen der Daten und zur Berechnung der Drallzahl am Brenneraustritt angewendet. Während der experimentellen Untersuchungen wurden die Charakteristika der Diffusionsflammen zunächst in einer parametrischen Studie untersucht, um den Einfluss der Drallzahlen für drei verschiedene Werte sowie der Massenstromverhältnisse von sekundären zu tertiären Strömen auf die gesamte Verbrennung auszuwerten. Der zweite Teil des Testprogramms enthielt detaillierte Messungen innerhalb der Flamme für ausgewählte Betriebspunkte. Als Referenz diente die Luftverbrennung; insgesamt wurden vier Oxyfuel-Flammen untersucht. Messungen der lokalen Gastemperatur, der Gaszusammensetzung und des Strahlungswärmeaustauschs wurden mit standardisierten, wassergekühlten Messsonden insbesondere im Nahbrennerbereich durchgeführt. Der O2-Anteil vor dem Brenner wurde bei 31 Vol.-% gehalten und auf Grundlage der gleichen adiabatischen Flammentemperatur wie bei luftgefeuerter Verbrennung definiert. Messungen innerhalb der Flamme zeigten, dass die Verteilung der einfallenden Wärmestrahlung entlang der Flammenlänge nur geringfügig verändert ist, was darauf schließen lässt, dass die Festlegung des O2-Anteils für die Oxyfuel-Verbrennung passend gewählt wurde. Die Flammenstabilisierung erwies sich als stark abhängig vom O2-Anteil im Primärstrom, der Speisegas-Verteilung zwischen den sekundären und tertiären Zuführungen und der Drallstärke. Typ 1 Flammen mit einem stöchiometrischen Verhältnis von 1,17 wurden unter Luft- und Oxyfuel-Bedingungen erzeugt und detailliert untersucht. Aus detaillierten Untersuchungen der Strömungsmuster und Flammenstrukturen ergaben sich Hinweise auf eine radiale Flammenschichtung mit schrittweiser O2-Entmischung in dem zentralen Kohlejet. Die Erhöhung der Drallzahl und des Verhältnisses von Sekundär- zu Tertiär-Strömung verbessert die Vermischung der Kohlepartikel untereinander und erhöht die Temperaturen in der Nähe des Brenners. Eine bemerkenswerte Reduzierung der Temperaturen auf der Flammenachse wurde unter Oxyfuel-Bedingungen beobachtet. In der gleichen Region wurden höhere CO-Konzentrationen als mögliche Folge der CO2-Dissoziation und/oder der Vergasungsreaktion mit Wasserdampf und CO2 beobachtet. Sehr niedrige CO-Konzentrationen am Feuerraumaustritt, die einem hohen Partikelausbrand zugeordnet werden, zeigen an, dass Oxyfuel-Bedingungen hohe Wirkungsgrade für Typ 1 Flammen nicht verhindern. Obwohl die SO2-Konzentrationen bei Oxyfuel-Bedingungen höher waren, waren die Emissionsraten sehr ähnlich, was darauf hinweist, dass die SO2-Emissionen ausschließlich vom Schwefelgehalt der Kohle abhängig sind. Die aus der Parameteruntersuchung sowie Messungen in der Flamme erhaltenen experimentellen Daten deuten darauf hin, dass ein großes Potenzial zur NO-Reduktion durch die Flammenaerodynamik für die Oxyfuel-Verbrennung besteht. Die Experimente zeigten, dass die gestufte Zufuhr der Gasströme in einen Brenner eine effektive Technik zur Verbesserung der Flammenschichtung in brennstoffreiche und brennstoffmagere Zonen ist. Insbesondere die Kombination von hohem Drall und hohem Verhältnis von Sekundär- zu Tertiär-Strömung resultierte letztendlich in eine signifikante NO-Reduktion. KW - Kohlenstaubbrenner KW - Oxyfuel-Verfahren KW - Oxyfuel KW - Verbrennung KW - Trockenbraunkohle KW - Brenner KW - Staubfeuerung KW - Oxy-fuel KW - Lignite KW - Coal KW - Burner KW - Combustion Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27489 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 - 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 - Warnecke, Martin T1 - Optimierung der Instandhaltungsplanung mit genetischen Algorithmen unter Berücksichtigung des Speicherverhaltens bei der Verfügbarkeitsprognose von Kraftwerksanlagen T1 - Optimization of maintenance scheduling with genetic algorithms regarding the storage behavior during the availability prognosis of power plants N2 - In Zeiten des liberalisierten Strommarktes muss sich der Kraftwerkserrichter und -betreiber die Wahl seiner Primärenergie und die Auslegung jedes einzelnen Kraftwerks hinsichtlich Emissionen und last but not least die Errichtungs- und späteren Betriebskosten genau überlegen. Simulationen unter der Annahme verschiedener Szenarien sind bei diesem Marktumfeld zwingend erforderlich. Das Spannungsfeld zwischen Errichtungskosten, davon teilweise abhängiger Verfügbarkeit, Instandhaltungsphilosophie und Betriebskosten bildet die Motivation für die Instandhaltungsoptimierung und Simulationen zur Verfügbarkeitsprognose, die Thema dieser Arbeit sind. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Planung der zeitbezogenen Instandhaltungsstrategie, bei der die Inspektion der Komponente nach einer vorgeschriebenen Zeitspanne erfolgt, die sich aus den Betriebs- und Herstellererfahrungen ableitet. Diese Problemstellung ist besonders anspruchsvoll, weil es durch Synergieeffekte zu starken Wechselwirkungen der Komponenten untereinander kommt. So besitzt jede Komponente ihre eigene theoretisch optimale Inspektionsperiode, im Verbund kann es jedoch sein, dass es wegen Freischaltungen oder Stillstandszeiten günstiger ist, einige Komponenten gemeinsam instandzuhalten und dabei eine einzelne Baugruppe vorzuziehen oder zurückzustellen. Die hieraus entstehenden Wechselwirkungen bilden eine nichtlineare, gemischt-ganzzahlige Berechnungsvorschrift für die Kostenabschätzung. Für die Optimierung dieser Instandhaltungsplanung wurde in der vorliegenden Arbeit ein neuer Ansatz entwickelt. Nachdem festgestellt wurde, dass klassische Optimierungsverfahren dieses Problem der Instandhaltungsoptimierung nicht zufriedenstellend lösen können, wurde eine Lösung auf Basis von „Genetischen Algorithmen“ entwickelt. Gleichzeitig zur Instandhaltungsoptimierung wurde aufbauend auf vorangegangenen Arbeiten am Lehrstuhl die Methodik der Verfügbarkeitsprognose komplexer kraftwerkstechnischer Anlagen weiterentwickelt und um die neue Komponente "Speicher" (ggf. mit Verlusten) erweitert. Mit dem Speichermodell wird die Verhaltensweise eines Speichers in die aufwandsreduzierte Monte-Carlo-Methode integriert. N2 - In the age of the liberalized energy market the power plant raisers and operators have to consider several factors when choosing the fuel type and dimensioning their power plants, e.g. emissions, erection cost and last but not least operating cost. Simulations assuming different scenarios are required. The rivaling aspects of erection cost, partially dependant availability, maintenance philosophy and operating cost are motivating the optimization of maintenance scheduling and the availability prognosis which are the topic of this thesis. The focus of this thesis is on the scheduling of the time based maintenance strategy. This strategy defines the time spans between the repeating inspections of each component. This is based on the experience of operators and manufacturers. The mathematic problem itself is especially challenging because of strong interdependencies between the single components due to synergy effects. Each component has its own theoretically optimal lifetime and maintenance period. Yet as part of a compound it might be more cost efficient in the long run to maintain some components together shifting some of them forward or backward. The thereby caused interdependencies constitute a non-linear, mixed-whole-numbered calculation of the cost approximation. For the optimization of this maintenance scheduling a new approach was developed. It was realized that the problem couldn’t be solved satisfyingly with classic optimization algorithms. Afterwards a solution based on “genetic algorithms” was developed. In the meantime the methods for the availability prognosis of complex power plant facilities were enhanced. Especially a new component with storage behavior (with optional losses) was added to the prognosis tool. This storage model integrates the behavior of a storage into the computing time reduced Monte-Carlo-Method. KW - Kraftwerk KW - Instandhaltung KW - Optimierung KW - Instandhaltung KW - Genetische Algorithmen KW - Verfügbarkeit KW - Monte-Carlo-Methode KW - Kraftwerk KW - Maintenance KW - Genetic algorithms KW - Availability KW - Monte-Carlo-Method KW - Power plant Y1 - 2009 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-5961 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 - TY - THES A1 - Rochlitz, Lisbeth T1 - Development, investigation and modelling of a micro reformer as part of a system for off-grid power supply with PEM fuel cells T1 - Entwicklung, Untersuchung und Modellierung eines Mikroreformers als Teil eines Systems zur netzfernen Stromversorgung mit PEM-Brennstoffzellen N2 - In this thesis a micro reformer fuel cell system (µRFCS) for 300 Wel off-grid power supply, fuelled with bioethanol, was simulated, designed, developed and investigated in a test-rig. First a literature study was carried through to point out the specific characteristics of micro reforming, the most important being heat transfer, and present the systems currently under research and already on the market. As a next step, the processes of the RFCS were simulated with the commercial simulation tool CHEMCAD. This comprised thermodynamic equilibrium simulations for the separate reactions of steam reforming, water gas shift and selective methanation. It also included a simulation of the complete µRFCS with thermodynamic equilibrium for all reactors and assumed values for heat loss and fuel cell efficiency. The resulting net electrical efficiency was 24%. As a third step, a reaction pathway scheme with parallel and serial reactions for the steam reforming reaction of ethanol was simulated, developed, evaluated and proven plausible by matching the simulation to experimental results obtained in the µRFCS test rig. The equilibrium simulations were used to evaluate the catalyst screening carried through for reformer, water gas shift and selective methanation catalysts. The catalysts for the µRFCS were chosen and the optimum operating conditions determined by the screening tests. Having accomplished the simulation and design of the system, the largest proportion of this work was spent on the construction, set-up, testing and evaluation of the complete µRFCS. The focus for the evaluations lay on the reformer side of the system. The technical feasibility was demonstrated for an ethanol/water mix of 3 ml/min at S/C 3. The first tests without optimized heat and water management between the reformer system and the fuel cell system resulted in power output of around 115 Wel, at a total electrical efficiency of 31%. N2 - In der vorliegenden Arbeit wurde ein Mikroreformer Brennstoffzellen System (µRBZS) zur netzfernen Stromversorgung mit 300 W elektrischer Leistung, das mit Bioethanol betrieben wird, entwickelt, simuliert, konstruiert und im Laborteststand untersucht. Zunächst wurde eine Literaturrecherche durchgeführt, um die speziellen Charakteristika von Mikroreformern darzustellen und die derzeit in der Forschung befindlichen, ferner die ersten kommerziellen Systeme zu präsentieren. Das Hauptcharakteristikum ist dabei die Wärmeübertragung. Im nächsten Schritt wurden die Verfahrensschritte des µRBZS mit dem kommerziellen Prozesssimulationstool CHEMCAD nachgebildet. Dies beinhaltete thermodynamische Gleichgewichtssimulationen für die Reaktionen der Dampfreformierung, Wasser-Gas-Shift und selektiven Methanisierung. Des Weiteren wurde das komplette µRBZS mit thermodynamischen Gleichgewichtsreaktoren simuliert, mit geschätzten Wärmeverlusten und Wirkungsgraden für die Brennstoffzelle. Der dabei berechnete elektrische Netto-Wirkungsgrad des Systems beträgt 24%. In einem dritten Schritt wurde ein Reaktionsschema aus Parallel- und Folgereaktionen für die Dampfreformierung von Ethanol entwickelt und simuliert. Zur Bewertung wurden experimentelle Ergebnisse des µRBZS herangezogen und nachgewiesen, dass die gemessenen Gaszusammensetzungen mit dem Reaktionsschema beschrieben werden können. Die Gleichgewichtssimulationen wurden für die Beurteilung der durchgeführten Screenings von Katalysatoren zur Dampfreformierung, Wasser-Gas-Shift und zur selektiven Methanisierung verwendet. Mit Hilfe der Screenings wurden die Katalysatoren für das µRFCS ausgesucht und ihre optimalen Betriebsparameter bestimmt. Die Konstruktion, der Aufbau des Teststandes, die Messungen und die Auswertung der Ergebnisse für das komplette µRBZS machten den überwiegenden Teil der Zeit aus, den die Verfasserin für diese Arbeit aufgewendet hat, nachdem die Simulations- und Designphase des Systems abgeschlossen war. Dabei lag der Schwerpunkt auf der Seite des Reformersystems. Die technische Machbarkeit und die Funktionstüchtigkeit aller Komponenten wurden mit einem Ethanol/ Wasser-Gemisch von 3 ml/min bei S/C 3 demonstriert. Die ersten Tests ohne optimiertes Wärme- und Wassermanagement zwischen dem Reformersystem und dem Brennstoffzellensystem erzielten Leistungen von ca. 115 W und damit einen elektrischen Gesamtwirkungsgrad von 31 %. KW - Brennstoffzelle KW - Stromversorgungseinheit KW - Bioethanol KW - Dampfreformierung KW - Mikroreformer Brennstoffzellen System KW - Netzferne Stromversorgung KW - Bioethanol KW - Steam reforming KW - Micro reformer fuel cell system KW - Off-grid power supply Y1 - 2008 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-5900 ER - TY - THES A1 - Möller, Jochen T1 - Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung erneuerbarer Energieträger am Beispiel des Landes Brandenburg N2 - Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines energiewirtschaftlichen Modells, um künftige Entscheidungen zum Ausbau der regenerativen Energieträger nach unterschiedlichen, sich teilweise widersprechenden Kriterien treffen zu können. Das Modell ist für die strom- und wärmeseitige Energiebereitstellung anwendbar. Neben der Berücksichtigung aller energiewirtschaftlicher Aspekte wurde in den Modellrechnungen jeweils der gesamte Lebenszyklus „life cycle“ einer Anlage erfasst. In dem Modell sind Berechnungen sowohl mit frei wählbaren Schwerpunktsetzungen, wie beispielsweise vorhandenes Potenzial, ökologische Aspekte und Wertschöpfung als auch Rechenoperationen ohne jede Wichtung möglich. Die Funktionsfähigkeit des Modells wurde anhand der Kennzahlen für das Land Brandenburg nachgewiesen. Bei den Schlussfolgerungen aus den Modellrechnungen konnten eindeutige Aussagen und Empfehlungen für den künftigen Einsatz der jeweiligen regenerativen Energieträger getroffen werden. N2 - Main intention of the work was the development of an energy-industrial model for the expansion of renewable sources of energy, based on different, sometimes even contradictable criteria. The model is applicable for current and warm-lateral energy supply. The model calculations realises the whole „life cycle“ of the plants beside the consideration of all energy-industrial aspects. In the model computations are both freely selectable emphasis setting, for example the potential, ecological aspects and creation of value, and also arithmetic operations without each priority possible. The operativeness of the model has been proved by characteristic numbers of the state Brandenburg. In conclusion from the model calculations it was possible to make definite statements und give recommendations for the future insert of the renewable supporters of energy. KW - Brandenburg KW - Alternative Energiequelle KW - Energiemodell KW - Erneuerbare Energie KW - Energiewirtschaftliche Bewertung KW - Potenzial KW - Ökologie KW - Wertschöpfung Y1 - 2004 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-000000497 ER - TY - THES A1 - Kangwanpongpan, Tanin T1 - Contribution to CFD modeling of lignite oxy-fuel combustion with special focus on radiation properties T1 - Beitrag zur CFD-Modellierung der Oxyfuel-Verbrennung von Braunkohle mit besonderem Schwerpunkt auf Strahlungseigenschaften N2 - Coal consumption shares approximately 1/3 of a total global primary energy consumption, therefore this will mainly impact to global warming situation in the 21th century. For this reason, the natural resource such as coal should be processed in the most efficient way. Today, we have several combustion technologies to serve this purpose and oxy-fuel combustion is one of efficient method. In oxy-fuel technology, car-bon dioxide (CO2) will be captured in the liquid form for storaging into the ocean or injecting into the rock-sediment underground.CFD is an effective tool to analyse and approximate combustion gas species, temperature and heat transfer properties in oxy-fuel furnace. However, an insight into mathematical models for oxy-coal combustion is still restricted from many unknowns such as devolatilization rate, reaction mechanism of volatile reaction, turbulent gaseous combustion of volatile product, char heterogeneous reaction, radiation properties of gaseous mixture and heat transfer inside combustion chamber and through furnace’s wall. Therefore, this dissertation aims to study mathematical modeling of lignite combustion under oxy-fuel conditions and also create new correlations for weighted sum of gray gases (WSGG) model for predictions of radiation properties of oxy-coal gas mixture. N2 - Kohle besitzt einen Anteil von circa einem Drittel am weltweiten Primärenergieverbrauch und hat daher einen großen Einfluss auf die globale Erderwärmung im 21. Jahrhundert. Aus diesem Grund sollte eine natürliche Res-source wie die Kohle auf höchst effektive Weise genutzt werden. Zu diesem Zweck sind mehrere moderne Technologien verfügbar. Bei der hier betrachteten Oxyfuel-Technologie wird das Kohlenstoffdioxid (CO2) im Ver-brennungsprozess angereichert und gesammelt, um später beispielsweise in flüssiger Form zur Lagerung in Ozeanen oder zur Injektion in unterirdische Gesteinssedimente genutzt zu werden. Zur Analyse und Abschätzung der Verbrennungsgaszusammensetzung, Temperatur und Wärmeübertragungseigenschaften in Oxyfuel-Feuerungen stellt CFD ist ein effektives Werkzeug dar. Dennoch ist der Zugang zu den mathematischen Modellen der Oxyfuel-Verbrennung auf zahlreiche Unbekannte wie Entgasungsrate, Reaktionsmechanismus der Flüchtigen, turbulente Gasverbrennung der Flüchtigen, heterogene Reaktion des Koks, Strah-lungseigenschaften des Gasgemischs und Wärmeübertragung in der Brennkammer und durch die Feuerraumwände weiterhin eingeschränkt. Daher zielt diese Dissertation darauf ab, die mathematische Modellierung der Braunkohleverbrennung unter Oxyfuel-Bedingungen zu untersuchen und ebenfalls neue Korrelationen für das Weighted Sum of Gray Gases (WSGG) Modell zur Vorhersage der Strahlungseigenschaften der Oxyfuel-Gasmischung aufzustellen. KW - Oxyfuel-Verfahren KW - Numerisches Modell KW - Numerische Strömungssimulation KW - CFD KW - Oxyfuel-Verbrennung KW - Strahlungsmodellierung KW - Braunkohle KW - CFD KW - Oxy-fuel combustion KW - Radiation modeling KW - Lignite Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27597 ER - TY - THES A1 - Klatt, Matthias T1 - Dynamische Modellbildung als Element von verfügbarkeits- und prozeßorientierten Untersuchungen komplexer kraftwerkstechnischer Systeme T1 - Dynamic modelling as an element of the availibility and process oriented behaviour investigation of complex power plants N2 - Es wurde ein Software-Werkzeug entwickelt, das die Modellierung der Verfügbarkeit und des dynamischen Verhaltens von Grosskraftwerksblöcken mithilfe einer eigens aufgebauten Komponentenbibliothek erlaubt. Die geforderte grafische Darstellung in Analogie zum Prozessfließbild machte es erforderlich, neue Modellansätze für Daten und Informationsflüsse zu entwickeln. Der Komponentenumfang eines Kraftwerksblockes mit den wichtigsten Komponenten machte es dabei erforderlich, blockorientierte Modellierungsansätze auf der Basis konzentrierter und verteilter konzentrierter Parameter anzuwenden. N2 - A software-tool was developed, which, with its specially built component library, allows the modelling of availability and dynamic behaviour of large scale power plant units. The requested graphic representation near to the process flow schema required a search for new ways of data and information flow modelling. The large quantity of components of a power plant unit with its most important components thereby requires a block oriented modelling approach based on lumped and distributed lumped parameters. KW - Dampfkraftwerk KW - Modellierung KW - Kraftwerk KW - Dynamisches Verhalten KW - Prozessmodell KW - Prozesssimulation KW - Power plant KW - Dynamic behaviour KW - Process modelling KW - Process simulation Y1 - 2007 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus-4282 ER -