Construction of a test rig for the characterization of gas-powder two-phase flow in packed bed thermal energy storage systems

Abstract

The goal of this thesis is to design and construct a test rig of an existing packed bed thermal energy storage system to investigate its suitability for use with heavily dust-laden air. A special focus is given to the dust-laden exhaust air of the Linz-Donawitz process. In the Linz-Donawitz process, dust-laden exhaust air with a temperature of around 700°C is cooled down to 150°C using an injection cooler, because the highly dust-laden air would damage any available recuperative heat exchanger. This means the heat is lost unused. To use the heat anyway, the idea is to install a packed bed thermal energy storage system instead of the injection cooler, which stores the heat and transfers it to a downstream process afterwards.One of the most significant tasks of this thesis is to find a suitable method to feed dust into the air stream, which involves selecting, designing, and manufacturing a blow-through rotary valve. To filter the dust-laden exhaust air and release it back into the environment free of pollutants, a simple filter mat clamped between a pipe extension and a pipe constriction proved to be sufficient. Two filters are connected in parallel to ensure long-lasting tests. This means that when one filter is fully loaded, it is possible to quickly switch to the other filter and clean it in the meantime. PVC-U pipes and valves are used for the piping, and the valves are controlled manually by hand. The test rig and its piping are designed transparent, to observe the flow of the dust-laden air.In consideration of automation and required measurements, pressure or pressure differences, volumetric airflow, and air temperature can be measured across the system. The in-house compressed air supply is used as the air source for the test rig, and an air supply block containing temperature measurement, pressure regulation, and a flow meter is utilized. A manual valve regulates the flow, which is sufficient for the test rig. A pressure relief valve is also installed after the flow meter to prevent any pressure peaks that could damage the system.The test rig can be a valuable tool for evaluating packed bed thermal energy storage systems and their compatibility with heavily dust-laden air. The main goal of an experiment with the test rig will be the output of several pressure, respectively pressure difference curves at different measuring points over time.

Das Ziel dieser Masterarbeit besteht darin, ein Kaltmodell eines vorhandenen Festbettregenerators zu entwerfen und zu bauen, um seine Eignung für den Einsatz mit staubbeladener Luft zu untersuchen. Ein besonderer Fokus wird auf die staubbeladene Abluft des Linz-Donawitz-Verfahrens gelegt. Beim Linz-Donawitz-Verfahren wird staubbeladene Abluft mit einer Temperatur von etwa 700°C durch einen Einspritzkühler auf 150°C abgekühlt, da die stark staubbeladene Luft jeden verfügbaren Rekuperatorwärmetauscher beschädigen würde. Die Idee ist nun diesen Einspritzkühler durch einen Festbettregenerator zu ersetzen, welcher die Wärme zwischenspeichert und sie später einem nachgeschalteten Prozess weitergibt. Das größte Arbeitspaket besteht darin, eine geeignete Methode zu finden, um dem Luftstrom Staub zu dosieren. Hierfür wird eine Durchblasschleuse ausgewählt. Diese Durchblasschleuse wird ausgelegt, konstruiert und gefertigt. Zur Filterung der staubbeladenen Abluft ist eine einfache Filtermatte, die zwischen einer Rohrerweiterung und einer Rohrverengung geklemmt wird, ausreichend. Zwei Filter sind parallel geschaltet, um eine längere Versuchsdauer zu gewährleisten. Das bedeutet, dass bei vollständiger Beladung eines Filters schnell auf den anderen Filter umgeschaltet und dieser in der Zwischenzeit gereinigt werden kann. PVC-U Rohre und handgesteuerte Ventile wurden für die Rohrleitungen verwendet. Das Kaltmodell wird aus Acrylglasrohren bzw. -platten gefertigt. Sowohl die Rohrleitung als auch das Kaltmodell selbst Im Kaltmodell sollen Drücke bzw. Druckdifferenzen, die Lufttemperatur und der Luftvolumenstrom gemessen werden. Geregelt muss hingegen nur der Eingangsdruck und der Luftvolumenstrom werden. Für die Druckluftversorgung wird die hauseigene Druckluftleitung verwendet. Diese wird mit einem Luftversorgungsblock, welcher eine Temperaturmessung, Druckminderer und einen Durchflussmesser beinhaltet, konnektiert. Der Durchfluss wird mit einem Handventil geregelt. Nach dem Durchflussmesser wird ein Druckbegrenzungsventil installiert, um etwaige Druckspitzen zu vermeiden, die das System beschädigen könnten. Das Kaltmodell kann ein wertvolles Werkzeug zur strömungstechnischen Evaluierung von Festbettregeneratoren und deren Kompatibilität mit staubbeladener Luft sein. Das Hauptziel eines Experiments mit dem Kaltmodell wird die Ausgabe mehrerer Druck- bzw. Druckdifferenzkurven an verschiedenen Messpunkten über der Zeit sein.