Numerische Untersuchung von Strömung und Wärmeübergang in Fließbett-Wärmetauschern

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit werden die Strömungs- und Wärmübergangsverhältnisse in Fließbett-Wärmetauschern untersucht. In diesen soll eine Sandschüttung mittels Fluidisierung gefördert und mit Rohrbündeln erhitzt beziehungsweise gekühlt werden. Es werden dabei zwei unterschiedliche Geometrien betrachtet, die sich im Wesentlichen in der Art der Stromführung und der Anströmung der Rohrbündel im Fließbett unterscheiden. Im ersten Fall findet die Anströmung längs der Rohrachse (LINI) und im anderen quer zur Rohrachse (QUINI) statt. Ziel ist es, mit einer Simulation die gewünschten Strömungsverhältnisse nachzubilden und die Abhängigkeiten des Wärmeübergangs von der Fluidisierung und dem geförderten Sandmassenstrom darzustellen. Die beiden Wärmetauscher werden in der Software Barracuda® modelliert und simuliert. Dazu sind die Modellierung der Geometrie, die Vorgabe der Partikel- und Stoffparameter und die Wahl von geeigneten Randbedingungen notwendig. Neben der Simulation der Wärmetauscher wurde noch eine weitere Simulation zur Bestimmung der Lockerungsgeschwindigkeit durchgeführt und deren Ergebnisse mit denen von bekannten Gebrauchsformeln verglichen. Bei der Simulation konnten die gewünschten Strömungsverhältnisse in den Wärmetauschern in allen betrachteten Betriebspunkten eingestellt werden. Notwendig dazu ist die Einstellung geeigneter Druckniveaus. Zur Beurteilung des Wärmeübergangs wurde zuerst die Temperaturverteilung in der Wirbelschicht um die beheizten Rohre betrachtet. Unter den ermittelten Ergebnissen für den Wärmeübergangskoeffizienten wurden einige, offensichtlich falsche Ergebnisse identifiziert. Anhand der verbleibenden Ergebnisse lässt sich für beide Anordnungen eine positive Korrelation des Wärmeübergangskoeffizienten und der Fluidisierung feststellen, während der Effekt des Sandmassenstroms bei den beiden Anordnungen unterschiedlich ausgeprägt ist. Bei den längsangeströmten Rohren wurde im Allgemeinen ein besserer Wärmeübergang ermittelt. Die Tiefe der hier machbaren Aussagen ist durch die bei der angewandten Methode langen Simulationszeiten begrenzt.

The scope of this thesis is to investigate the flow and heat transfer inside of fluidized bed heat exchangers. In those heat exchangers sand is transported using fluidization and is heated or cooled by tube bundles. There are two different designs in investigation, which differ mainly in the flow structure and the incident flow on the tube bundles in the fluidized bed. In the first case the flow is longitudinal to the tube axis (LINI) and in second case it is transversal to the tube axis (QUINI, quer german for transversal). A simulation is done to recreate the desired flow patterns and to show how heat transfer depends on fluidization and the transported sand mass flow. The two heat exchanger types are modelled and simulated using the software Barracuda®. Therefore it is necessary to model the geometries, set the properties of particles and other media and give suitable boundary conditions. Another simulation is carried out to determine the value of the minimum fluidization velocity and compare it to those gained by evaluating broadly used correlations. The desired flow patterns were recreated by the simulations at all chosen operating points. To accomplish this it is crucial to set proper pressure values. The temperature profiles inside the fluidized bed around the heated tube were discussed to gain better understanding of the heat transfer conditions. Of the obtained results for heat transfer coefficient, a few were determined to be unfeasible. The valid results show a positive correlation of heat transfer coefficient and fluidization. The effect of sand mass flow rate is different for the two heat exchanger types. In general there was better heat transfer for longitudinal flow along tubes than for transversal flow. Because of long simulation time the achievable results by using the applied methods is limited.