Numerical simulation of heat transfer phenomena in selected industrial processes

Abstract

Numerical simulation has proven to be an essential tool to support research, development, andthe optimization of industrial processes. Although computational power has increased rapidly in recent years, industrial processes still cannot be described in detail due to the different size and time scales of the participating transport phenomena. In particular, heat transfer significantly influences local temperatures and local physical and chemical phenomena. For an efficient investigation and optimization of a process via simulation, reliable models for heat and mass transfer, fluid and particle flow, and chemical reactions are needed. Different models for heat transfer and flow phenomena were developed, validated, and investigated in this work. Considered industrial (sub-) processes are packed bed reactors (e.g., used for absorption, adsorption, or catalytic reactions), the process of brick firing in tunnel kilns, dense particle jets (e.g., the injection of pulverized coke or alternative reducing agents in the raceway zone of blast furnaces), and the pyrolysis of biomass in externally heated rotary kilns. In all these processes, the heat transfer from the surrounding gas to a solid phase and heat transport inside the solid phase are critical. First, a workflow for simulating packed beds of spherical particles with high thermal conductivity using the local bridges contact point modification method was developed, implemented, and investigated. A correction for the effective thermal conductivity (ETC) of the bridges was provided. The correction correlation was derived using fully resolved CFD-simulations, experiments, and statistical Design of Experiments approaches. It was shown that the simulation error could be reduced by up to 75 % when using the proposed correction correlation. Then the influence of the bridges method on the packing porosity and the pressure drop was investigated. A good agreement of the simulated pressure drop and pressure drop correlations from literature was found. The influence of different bridge diameters on the porosity was shown to be negligible. For the numerical simulation of the brick firing process, the effective thermal conductivity of hollow bricks, considering conduction and surface-to-surface radiation, was modeled comparing four different radiation models. A selected model was validated using experiments and fully resolved CFD simulations. A global sensitivity study was performed to show the influence of the model parameters on the overall ETC of the brick. The developed model was then used to simulate the transient temperature distribution of the brick stacks in a segment of a tunnel kiln under firing conditions. Correlations for the radiative and convective heat transport in dense particles jets, based on direct numerical simulation of clustered particles, were then presented. Despite the development for synthetic clustered particles with uniform particle size, it was shown that the proposed models are also applicable for randomly clustered particles with a given particle size distribution. The proposed heat transfer models for particle clusters can significantly improve the predictions of Euler-Lagrangian simulations of particle jets involving heat transfer and thermo-chemical conversion. At last, a particle flow model considering the residence time distribution (RTD) of the solid particles in a rotary kiln was developed and implemented. The influence of the RTD on the slow biomass pyrolysis in an externally heated rotary reactor was investigated in a comprehensive parametric study. The influence of the RTD proved to be negligible for Péclet numbers of Pe > 50. The most significant change in species concentration and product yield compared to plug flow behavior was observed for low Péclet numbers of Pe < 10.The models developed here describe important heat and mass transport phenomena in various industrial processes. Each model makes essential contributions to the numerical investigation and optimization of industrial systems. Future research should expand the individual models to include further physical or thermo-chemical effects. Thus, radiation and surface roughness in packed beds, natural convection in bricks, various particle arrangements and particle size distributions in dense particle flows, and the counter-current flow of gas and solid in rotary tubesshould be considered.

Numerische Simulation konnte unter Beweis stellen, dass sie ein wichtiges Tool zur Unterstützung in der Erforschung, Entwicklung und Optimierung von industriellen Prozessen ist. Obwohl die Rechenleistung in den letzten Jahren rasant zugenommen hat, können solche industriellen Prozesse aufgrund der teils stark unterschiedlichen Längen- und Zeitskalen der ablaufenden Transportphänomene oft nicht detailliert dargestellt werden. Insbesondere der Wärmetransport, sei es durch Leitung, Konvektion oder Strahlung, hat dabei aber großen Einfluss auf lokale Temperaturen und damit physikalische oder chemische Umwandlungsvorgänge. Zur effizienten numerischen Untersuchung und Optimierung von industriellen Prozessen sind genaue und verlässliche Modelle zur Beschreibung von Wärme – und Stofftransport, Fluid- und Partikelströmung und chemischen Reaktionen nötig. In der vorliegenden Arbeit wurden Modelle zur Beschreibung von verschiedenen Wärmetransport und Strömungsphänomene entwickelt, validiert und angewandt. Die untersuchten industriellen (Teil-) Prozesse umfassen Festbettreaktoren (z.B. verwendet zur Absorption, Adsorption, Katalyse), den Brennprozess von Ziegeln in Tunnelöfen, das Einblasen Partikel-Jets mit hohem Feststoffanteil in eine heiße Gasatmosphäre (z.B. Einblasen von Kohlestaub oder alternative Reduktionsmittel in den Hochofenprozess), und die Pyrolyse von Biomasse in indirekt beheizten Drehrohröfen. In all diesen Prozessen ist die Wärmeübertragung von der umgebenden Gasphase auf eine Feststoffphase und der Wärmetransport innerhalb des Feststoffes ausschlaggebend. Zuerst wurde ein Workflow zur Simulation von Festbetten, bestehend aus Kugeln mit hoher Wärmeleitfähigkeit, entwickelt und validiert. Kontaktpunkte zwischen den Kugeln und an Wand/Kugel-Kontaktpunkten wurden mit der lokal Brücken-Methode realisiert. Mittels experimenteller und statistischer Methoden (Design of Experiments) wurde eine Korrektur der effektiven Wärmeleitfähigkeit der Brücken vorgeschlagen. Die Abweichung von Simulation zu Experiment konnte damit um bis zu 75 % reduziert werden. Anschließend wurde der Einfluss der Brücken-Methode auf den simulierten Druckverlust und den Leerraumanteil der Packung wurde untersucht. Eine gute Übereinstimmung des simulierten und experimentell ermittelten Druckverlustes wurde festgestellt. Es wurde gezeigt, dass die lokale Brücken-Methode vernachlässigbaren Einfluss auf den Leeraumanteil der Packung hat. Zur numerischen Simulation des Ziegelbrennprozesses im Tunnelofen wurde ein Modell zur Berechnung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von Ziegeln, unter Berücksichtigung von Wärmeleitung und Oberflächenstrahlung, entwickelt, validiert und angewandt. Dazu wurden vier verschiedene Strahlungsmodelle implementiert und verglichen. Der Einfluss der verschiedenen Modellparameter auf die effektive Wärmeleitfähigkeit der Ziegel wurde in einer globalen Sensitivitätsanalyse untersucht. Außerdem wurde das Modell angewandt, um den transienten Temperaturverlauf eines Ziegelstapels im Ausschnitt eines Tunnelofens unter Brennbedingungen zu untersuchen. Basierend auf Ergebnissen direkter numerischer Simulation von geclusterten Partikeln wurden Zusammenhänge für den Wärmetransport durch Strahlung und Konvektion in Partikel-Jets mit hoher Partikelbeladung entwickelt. Obwohl die Korrelationen für struktierte Partikelcluster mit gleichbleibender Partikelgröße abgeleitet wurden, konnte gezeigt werden, dass die Funktionen auch für randomisierte Cluster mit gegebener Partikelgrößenverteilung anwendbar sind. Die Anwendung der entwickelten Zusammenhänge in Euler-Lagrange Simulationen von Partikel-Jets hat gezeigt, dass die Vorhersage des Wärmetransports, und damit der thermo-chemischen Umwandlung, deutlich verbessern werden konnte. Zuletzt wurde der Einfluss der Partikel-Verweilzeitverteilung auf die Biomassepyrolyse in einem indirekt beheizten Drehrohrofen modelliert und untersucht. In einer ausführlichen Parameterstudie wurde in 726 Kombinationen von Reaktorabmessungen und Betriebsbedingungen mit über 13000 Einzelsimulationen gezeigt, dass die Verweilzeitverteilung der Partikel für Péclet-Zahlen von Pe > 50 vernachlässigt werden kann. Der größte Einfluss auf den Biomasseumsatz wurde fürPe < 10 beobachtet. Die hier entwickelten Modelle stellen für die Beschreibung der verschiedenen Gesamtprozesse wichtige Wärme- und Stofftransportvorgänge dar. Jedes einzelne Modell liefert essenzielle Beiträge zur numerischen Untersuchung und Optimierung der industriellen Systeme. Zukünftige Forschung sollte sich auf die Erweiterung der einzelnen Modelle um weitere physikalische oder thermo-chemische Effekte bemühen. So können Wärmestrahlung und Oberflächenrauigkeit in Partikelschüttungen, natürliche Konvektion in Ziegeln, verschiedenen Partikelanordnungen und Partikelgrößenverteilungen in hochbeladenen Partikelströmungen und der Gegenstrom von Gas und Feststoff in Drehrohren berücksichtigt werden.