Modellierung von Hydrodynamik und Wärmeübertragung in blasenbildenden Wirbelschichten zur Trocknung von Braunkohle

Modeling of hydrodynamics and heat transfer in bubbling fluidized beds for drying of lignite

  • 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 eigentlichenIn 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.show moreshow less
  • 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 ofIn 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.show moreshow less

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Metadaten
Author: Schreiber, Matthias
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-27263
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Krautz, Hans-Joachim
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2013
Date of final exam:2013/01/10
Release Date:2013/02/19
Tag:Blasenbildende Wirbelschicht; Braunkohle; Hydrodynamik; Numerische Strömungssimulation; Wärmeübertragung
Bubbling fluidized bed; Heat transfer; Hydrodynamics; Lignite; Numerical simulation
GND Keyword:Braunkohle; Hydrodynamik; Trocknung; Wirbelschichtverfahren; Wärmeübertragung
Institutes:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Kraftwerkstechnik
Institution name at the time of publication:Fakultät für Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen (eBTU) / LS Kraftwerkstechnik