Numerical investigations on heat transfer in a fast firing brick kiln

Abstract

This thesis investigates the heat transfer mechanisms within a fast-firing tunnel kiln, a critical component in the brick manufacturing process. Tunnel kilns, widely used in the ceramics industry for the production of coarse ceramics such as bricks, operate through a continuous process where kiln cars transport goods through distinct zones. In order to reduce the CO2 emitted by the brick burning process the heat transfer inside the kiln has to be improved. The efficiencies of the heat transfer within these zones are crucial for the overall energy consumption and the quality of the final product.Thus, a series of CFD simulations with different models and setups are carried out in order to answer the question if it is advantageous to lower the ceiling inside the given fast firing brick kiln. As can be seen, the placement of the bricks inside the kiln has a significant impact on the heat transfer and can be altered more easily than changing the geometry of the kiln itself. Lowering the ceiling inside the kiln would involve expensive modifications compared to changing the mount of the bricks on the kiln cars. The results of the simulations are also validated with provided experimental data collected by measurement of different brick and air temperatures. Different placement of bricks in the generated models can be used as a starting point for future investigations to further increase the efficiency.

In dieser Arbeit werden die Wärmeübertragungsmechanismen in einem Schnellbrandofen, einer kritischen Komponente im Ziegelherstellungsprozess, untersucht. Tunnelöfen, die in der Keramikindustrie für die Herstellung von Grobkeramik wie Ziegeln weit verbreitet sind, arbeiten in einem kontinuierlichen Prozess, bei dem die Ofenwagen Ziegel durch verschiedene Zonen transportieren. Um den CO2-Ausstoß beim Brennen von Ziegeln zu verringern, muss die Wärmeübertragung innerhalb des Ofens verbessert werden. Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung innerhalb dieser Zonen ist entscheidend für den Gesamtenergieverbrauch und die Qualität des Endprodukts. Daher werden eine Reihe von CFD-Simulationen mit verschiedenen Modellen und Einstellungen durchgeführt, um die Frage zu beantworten, ob es vorteilhaft ist, die Decke im Inneren des gegebenen schnell brennenden Ziegelofens abzusenken. Wie man sieht, hat die Platzierung der Ziegel im Ofen einen erheblichen Einfluss auf die Wärmeübertragung und kann leichter verändert werden als die Geometrie des Ofens selbst. Das Absenken der Decke im Ofen würde, verglichen mit der Änderung der Anordnung der Ziegel auf den Ofenwagen, kostspielige Änderungen nach sich ziehen. Die Ergebnisse der Simulationen werden auch mit den zur Verfügung gestellten experimentellen Daten validiert, die durch die Messung der verschiedenen Ziegel- und Lufttemperaturen gesammelt wurden. Die unterschiedliche Platzierung der Steine in den erstellten Modellen kann als Ausgangspunkt für künftige Untersuchungen zur weiteren Steigerung der Effizienz dienen.