Design and commissioning of test rigs for erosion and heat transfer testing of dense fluidized beds

Abstract

This work includes the development and realization of test rigs for various experimental investigations of a storage system developed at the Institute for Energy Technology and Thermodynamics at the Vienna University of Technology. The associated research project SandTES - particle-basen high-temperature heat storage systems (TES - Thermal Energy Storage) deals with the storage of thermal energy in the industrial sector. The first goal of this thesis was the experimental investigation of the erosion behavior of internals in fluidized beds using a specially developed test rig. The core task was to prove the low rate of erosion on internals, such as heat exchanger tubes. Until now this case was assumed without experimental confirmation. The results obtained should also make it possible to estimate the expected erosion rate over the lifetime of a component. The actual erosion was determined on one hand via the loss of mass and on the other hand via geometric changes. Metal sheets were mainly used as inspection elements, which are installed at different angles in the fluidized bed. This is necessary in order to be able to determine the dependency on the angle of attack. The difficulties for this test rig were the larger particle diameter and high flow velocities and pressures. These boundary conditions influenced both the basic concept of the test stand and the measuring devices for monitoring and setting the operating condition. In principle, the results are very satisfactory because the erosion rates are very low. Likewise, there have also been some new information that can be examined more closely. The second goal was the development and implementation of another test rig for the experimental investigation of heat transfer in fluidized beds at high temperatures. With this test rig it will be possible to determine heat transfer coefficients in fluidized beds experimentally. The challenge in the construction and design of the test rig was the intended high medium temperature of up to 700°C. At these temperatures, both the commonly used steel and the standard measuring equipment are unusable. The unique selling point of this test rig is the stationary circulation of the fluidized bed between the heating side and the cooling side without additional conveying equipment.

Diese Arbeit umfasst die Entwicklung und die Realisierung von Prüfständen für unterschiedliche experimentelle Untersuchungen einer am Institut für Energietechnik und Thermodynamik der TU Wien entwickelten Speichertechnologie. Das damit verbundene Forschungsprojekt SandTES - Partikelbasierte Hochtemperatur Wärmespeichersysteme (TES - Thermal Energy Storage) beschäftigt sich mit der Speicherung von thermischer Energie im industriellen Bereich. Das erste Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit war die experimentelle Untersuchung von Erosionsverhalten an Einbauten in Wirbelschichten mit Hilfe eines eigens dafür entwickelten Prüfstandes. Die Kernaufgabe bestand darin die bis dato meist angenommene geringe Erosion an Einbauteilen, wie z.B. Wärmetauscherrohre, auch praktisch nachzuweisen. Ebenfalls soll es durch die gewonnenen Ergebnisse auch möglich sein die zu erwartende Erosionsrate über die Lebenszeit eines Bauteils abschätzen zu können. Die Ermittlung der tatsächlichen Erosion erfolgte zum einen über den Masseverlust und zum anderen über geometrische Änderungen. Als Erosionskörper wurden vorwiegend Bleche verwendet, welche unter verschieden Winkeln in der Wirbelschicht eingebaut wurden, um so auch die Abhängigkeit des Anströmwinkels beurteilen zu können. Die Schwierigkeit bei der Konstruktion und Inbetriebnahme des Prüfstandes bestand darin, dass für größere Partikeldurchmesser folglich auch größeren Strömungsgeschwindigkeiten und Drücke hervorgerufen werden. Diese Randbedingung beeinflussten sowohl das Grundkonzept des Prüfstandes als auch die Messeinrichtungen für die Überwachung und Einstellung des Betriebszustandes. Grundsätzlich sind die Ergebnisse sehr zufriedenstellend da die Erosionsraten so wie erhofft sehr gering sind, jedoch haben sich auch einige neue Erkenntnisse ergeben, die noch genauer untersucht werden können. Das zweite Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Implementierung eines weiteren Prüfstandes für die experimentelle Untersuchung des Wärmüberübergangs in Wirbelschichten bei hohen Temperaturen. Mit Hilfe dieses Prüfstandes wird es nun möglich sein Wärmeübergangskoeffizienten experimentell zu bestimmen. Die Herausforderung bei der Konstruktion und Auslegung des Prüfstandes waren die angestrebten hohen Mediumstemperaturen von bis zu 700°C. Bei diesen Temperaturen können sowohl die normalerweise eingesetzten Stähle als auch standardmäßig erhältlichen Messmittel nicht mehr verwendet werden. Das Alleinstellungsmerkmal dieses Prüfstandes ist der stationäre Umlauf der Wirbelschicht zwischen der Heizseite und der Kühlseite ohne zusätzliche Fördereinrichtung.