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 - 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 - 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 - 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 - 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 - Lenivova, Veronika T1 - The potential role of Power-to-Gas in the Russian-European energy system T1 - Die potenziale Rolle von Power-to-Gas im russischen-europäischen Energiesystem N2 - The modern world is currently facing the energy revolution due to the decarbonisation challenges, promoted by the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC). The well-established fossil fuel energy sources are being pushed from their leading market positions by renewable energy. European governments are some of the first to take decisive action towards decarbonisation and have already started reforming their economic sectors. New questions arising from such changes are influencing the role of Russia in supplying energy to the European market. The development of a market for renewable gas, especially renewable hydrogen in Europe, could potentially, in a long-term scenario up to 2050, be an option for Russia to help maintain demand and remain in the role as a main exporter. The focus of this master thesis is put on the assessment of the current state of readiness of Russian and European energy systems for integration of Power-to-Gas (PtG) systems and for development of a carbon-free hydrogen market. German internal green hydrogen production capacity cannot meet the approximate demand in 2030 and 2050. However, the presence of the unutilised power capacity from Russian nuclear and hydro power plants opens a new opportunity to generate economically attractive hydrogen in large volumes via electrolysis with low electricity costs and zero carbon dioxide footprint. In this thesis different supply chains for hydrogen export (Russia-Germany) are constructed and, as a result, the levelised costs of hydrogen (LCOH) are calculated and analysed. Hydrogen produced in Russia and transported to Germany via maritime shipment shows that it can already be competitive to the domestically produced green hydrogen in Germany. The main compartment of the LCOH is the electricity expenditure, which the current Russian industrial tariffs can reach up to 90% of the total costs. Further reductions of the electricity price for PtG systems are recommended in order to achieve lower results for the LCOH. The outcome of this master thesis provides an overview on the current readiness of Russian and German hydrogen infrastructure and further recommendations on how it should be adapted. Finally a 2050 roadmap for the implementation of a hydrogen market in Russia and Germany is developed. N2 - Die moderne Welt steht aufgrund der Herausforderungen der Dekarbonisierung, die durch das Rahmenübereinkommen der Vereinten Nationen über Klimaänderungen (UNFCCC) gefördert werden, vor der Energiewende. Die etablierten Energiequellen von fossilen Brennstoffen werden durch erneuerbare Energien von ihren führenden Marktpositionen verdrängt. Die europäischen Regierungen sind einige der ersten, die entscheidenden Maßnahmen zur Dekarbonisierung ergreifen, und haben bereits mit der Reform ihrer Wirtschaftssektoren begonnen. Neue Fragen, die sich aus solchen Veränderungen ergeben, beeinflussen die Rolle Russlands bei der Energieversorgung des europäischen Markts. Die Entwicklung des Markts von erneuerbaren Gasen, insbesondere vom erneuerbaren Wasserstoff in Europa, könnte in einem langfristigen Szenario bis 2050 möglicherweise eine Option für Russland sein, um die Nachfrage aufrechtzuerhalten und die Rolle als Hauptexporteur zu übernehmen. Der Schwerpunkt dieser Masterarbeit liegt auf der Bewertung des aktuellen Zustands der Bereitschaft russischer und europäischer Energiesysteme zur Integration von Power-to-Gas-Systemen (PtG) und zur Entwicklung des kohlenstoffarmen Wasserstoff-Markts. Die deutsche innere Produktionskapazität für grünen Wasserstoff kann den ungefähren Bedarf in den Jahren 2030 und 2050 nicht decken. Das Vorhandensein der nicht genutzten Stromkapazität russischer Kern- und Wasserkraftwerke eröffnet jedoch eine neue Möglichkeit, durch Elektrolyse mit geringen Stromkosten wirtschaftlich attraktiven Wasserstoff in großen Mengen zu erzeugen, und ohne Kohlendioxid-Fußabdruck. In dieser Arbeit werden verschiedene Lieferketten für den Wasserstoff Export (Russland-Deutschland) aufgebaut und damit die Niveaukosten von Wasserstoff (LCOH) berechnet und analysiert. In Russland produzierter und per Seeverkehr nach Deutschland transportierter Wasserstoff zeigt, dass er bereits gegen den im Inland produzierten grünen Wasserstoff in Deutschland wettbewerbsfähig sein kann. Das Hauptanteil des LCOH sind die Stromausgaben, mit denen die derzeitigen russischen Industrie-Tarife bis zu 90% der Gesamtkosten erreichen können. Weitere Reduzierungen des Strompreises für PtG-Systeme werden empfohlen, um niedrigere Ergebnisse für das LCOH zu erzielen. Das Ergebnis dieser Masterarbeit gibt einen Überblick über die aktuelle Bereitschaft der russischen und deutschen Wasserstoffinfrastruktur sowie weitere Empfehlungen zur Anpassung. Schließlich wird der Fahrplan für 2050 zur Umsetzung des Wasserstoff-Markts in Russland und Deutschland entwickelt. KW - Decarbonisation KW - Hydrogen economy KW - Green hydrogen KW - Yellow hydrogen KW - Power-to-gas KW - Russian-European energy system KW - Dekarbonisierung KW - Wasserstoffwirtschaft KW - Grüner Wasserstoff KW - Russisch-Europäisches Energiesystem KW - Europa KW - Russland KW - Power-to-Gas KW - Energieversorgung Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-52211 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 - 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 - Posselt, Joachim T1 - Entwicklung eines Berechnungsmodells zur thermisch-geometrischen Dimensionierung eines Druck-Wirbelschicht-Verdampfungstrockners mit Tauchheizflächen am Beispiel polydisperser Braunkohle T1 - Development of a numerical model for thermal-geometric dimensioning of a pressurized steam fluidized bed dryer with immersion heating surfaces using the example of polydisperse lignite N2 - Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Berechnungsmodell zur thermisch-geometrischen Dimensionierung eines kontinuierlich arbeitenden Druck-Wirbelschicht-Verdampfungs-Trockners mit Tauchheizflächen für polydisperse Braunkohle erstellt. Zunächst wurde auf Basis experimenteller Ergebnisse eine strukturell optimierte Grundgleichung zur Beschreibung des zeitlichen Feuchteverlaufes entwickelt. Dabei wurden die Besonderheiten des Trocknungsgutes (z.B. die Polydispersität und die Ausbildung einer Gleichgewichtsfeuchte) berücksichtigt. Mit Hilfe der für den Trockner aufgestellten Energiebilanzen wurde ein Modell zur Beschreibung des zeitlichen Verdampfungstrocknungsverlaufes entwickelt. Dabei wurde auch der Einfluss des Druckes in den Subgleichungen und Stoffwertberechnungen berücksichtigt. (Der Überdruck ist einer der Hauptunterschiede der DDWT zu zahlreichen anderen Trocknungsverfahren). Weiterführend wurde unter Anwendung der Gleichungen zur Beschreibung der wirbelschicht-bedingten asymmetrischen Verweilzeitverteilung ein Gesamtmodell – das Trockner-Auslegungs-Modell (TRAM) – entwickelt und die Modellarchitektur detailliert beschrieben. N2 - In this work, a calculation model for thermal-geometric dimensioning of a continuous working pressurized fluidized bed evaporation dryer with an immersed heating tube-bundle for polydisperse lignite was developed. First, a structurally optimized basic equation describing the time course of moisture has been developed based on experimental results. The special features of the drying material were considered (for example the polydispersity and the formation of an equilibrium moisture content). With the aid of the developed energy balances of the dryer a model to describe the temporal evaporation-drying curve was developed. Also the influence of the pressure was considered in the sub-equations and the physical property-value calculation. (Overpressure is one main difference of the pressurized steam fluidized bed drying process (PSFBD) compared to the numerous other drying processes). Beyond this equations for description of the asymmetric residence time distribution of the continuous fluidized bed dryer were included to an overall model the so called dryer dimensioning model (TRAM). KW - Dampfwirbelschicht-Trocknung KW - Verdampfungstrocknung KW - Wirbelschicht KW - Trocknungsmodelle KW - Asymmetrische Verweilzeitverteilung KW - Steam fluidized bed drying KW - Evaporation drying KW - Fluidized bed KW - Drying models KW - Asymmetric residence time distribution KW - Braunkohle KW - Trocknung KW - Wirbelschichtverfahren KW - Verweilzeitverteilung Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-47062 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 - 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 - 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 - TY - THES A1 - Voigt, André T1 - Simulation zur Ermittlung von Einsatzpotentialen der alkalischen Druckelektrolyse im Hinblick auf die Versorgung wasserstoffbasierter Applikationen im heutigen und zukünftigen Energiesystem T1 - Simulation to determine the utilization potential of alkaline pressure electrolysis with regard to the supply of hydrogen-based applications in the current and future energy system N2 - In einem von erneuerbaren Energien dominierten Energiesystem spielen Speichertechnologien eine zentrale Rolle. Im Rahmen der deutschen Energiewende entstehen momentan mehrere Demonstrationsprojekte, in welchen regenerativer Strom mittels Wasserelektrolyse in Form von Wasserstoff gespeichert wird und sektorenübergreifend Anwendung findet. Zur technischen und ökonomischen Bewertung von Szenarien, welche bereits heute von Relevanz sind, werden im Rahmen dieser Arbeit Simulationen durchgeführt. Hierfür werden mehrere auf regenerativen Energien und Wasserstoff basierende Systempfade mit den Zielapplikationen Wasserstoffbereitstellung für Industrieanwendungen, Wasserstoff-Gasnetzeinspeisung und Rückverstromung entworfen. Darüber hinaus wird auch ein zukünftiges Szenario zur saisonalen Stromspeicherung betrachtet. Als Voraussetzung der Simulation werden die in den Systempfaden vorkommenden Komponenten in Matlab/Simulink von Grund auf abgebildet und je nach Zielstellung logisch miteinander verschalten. Die Elektrolyseanlage als zentrale Komponente verfügt hierbei über den höchsten Detailgrad. Zur Erhebung technischer Kennfelder als auch zur Charakterisierung des Betriebsverhaltens werden weitreichende Untersuchungen an einem realen Druckelektrolyseur durchgeführt, woraufhin eine Implementierung der erhobenen Daten in das Modell erfolgt. Die Energiebereitstellung in den Simulationen geschieht mittels Windkraft und Photovoltaik, welche direkt oder zur Wasserstoffherstellung genutzt wird. Der Wasserstoff wird je nach Einsatzstrategie weiter verdichtet, einer Speicherlösung zugeführt und anschließend rückverstromt. Zur Deckung des Wasserstoffbedarfs bzw. der Stromabnahmeprofile wird eine Sensitivitätsanalyse zur Dimensionierung der Systemkomponenten durchgeführt. Der Hauptfokus liegt hierbei auf der Sicherstellung der Versorgungssicherheit. Aufgrund seines Detailgrades schließt das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Modell die Lücke zwischen der Komponenten- und der Systemmodellierung. Somit findet es in der zielgerichteten Analyse von realen Wasserstoff-Versorgungspfaden seine Anwendung. Aufbauend auf der technischen Simulation werden die rechtlichen Rahmenbedingungen der Systempfade dargestellt und anhand eines spezifisch angepassten Kostenmodells die Wasserstoff- und Stromgestehungskosten berechnet sowie die Kostenverteilung hinsichtlich der Kostenbestandteile und Komponenten dargestellt. Die Hauptfaktoren der Gestehungskosten liegen in der Strombereitstellung, gefolgt von der Elektrolyse. Für die Wasserstoffspeicherung und Rückverstromung fallen vergleichsweise geringe Kosten an. Der angesetzte Zinssatz und eventuelle Abgaben haben einen wesentlichen Einfluss auf die Strom- und Wasserstoffkosten. Die Höhe der anfallenden Abgaben ist stark vom Anwendungsfall abhängig und muss für jeden Einzelfall gesondert betrachtet werden. Ein maßgeblicher Entfall von Abgaben liegt bei der Eigenversorgung ohne Leitung durch ein öffentliches Netz vor. N2 - In an energy system dominated by renewable energies, storage technologies play a central role. In the context of the German energy transition, several demonstration projects are currently being developed in which renewable electricity is stored in the form of hydrogen by means of water electrolysis and applied across sectors. For the technical and economic evaluation of scenarios, which are already relevant today, simulations are carried out in the context of this work. For this purpose, several system paths based on renewable energies and hydrogen are designed with the target applications of hydrogen supply for industrial applications, hydrogen gas grid feed-in and reverse power generation. In addition, a future scenario for seasonal electricity storage is also considered. As a basis for the simulation, the components occurring in the system paths are mapped from scratch in Matlab/Simulink and logically interconnected depending on the objective. The electrolysis system as the central component has the highest level of detail. Extensive investigations are carried out on a real pressure electrolyser to determine technical characteristics and to characterize the operating behaviour, whereupon the collected data is implemented in the model. The energy supply in the simulations is provided by wind power and photovoltaics, which is used directly or for hydrogen production. Depending on the application strategy, the hydrogen is further compressed, fed to a storage solution and then converted back into electricity. To cover the hydrogen demand or the power consumption profiles, a sensitivity analysis is performed to dimension the system components. The main focus here is on ensuring security of supply. Due to its level of detail, the model developed in this thesis closes the gap between component and system modeling. Thus, it finds its application in the targeted analysis of real hydrogen supply paths. Based on the technical simulation, the legal framework of the system paths is presented and the hydrogen and electricity production costs are calculated by using a specifically adapted cost model as well as the cost distribution with regard to the cost elements and components is presented. The main factors of the production costs are the electricity supply, followed by the electrolysis. Comparatively low costs are incurred for hydrogen storage and reconversion to electricity. The interest rate applied and any levies have a significant influence on the costs of electricity and hydrogen. The amount of the levies depends strongly on the case of application and must be considered separately for each individual case. There is no need to pay levies in the case of self-supply without a transmission through a public network. KW - Alkalische Druck-Elektrolyse KW - Power-to-Gas KW - Erneuerbarer Wasserstoff KW - Systemmodellierung und Simulation KW - Matlab Simulink KW - Alkaline pressure electrolysis KW - Renewable hydrogen KW - System modeling and simulation KW - Matlab Simulink KW - Wasserstoff KW - Erneuerbare Energien KW - Elektrolyse KW - Power-to-Gas KW - SIMULINK KW - Systemmodellierung KW - Simulation Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66955 ER -