Numerical analysis of flow structure and heat transfer in bubbling fluidized beds

Abstract

Using renewable energy sources to mitigate the effects of climate change requires innovative energy storage systems. One promising option for storing solar thermal energy is the use of lowcost and environmentally friendly particle based systems. The central element of this technology is a heat exchanger, which transfers the heat between the storage medium, such as quartz sand, and the working medium flowing through tube bundles. This counter current heat exchanger is based on an active fluidized bed technology, whereby the storage medium is fluidized by additional gas and a horizontal particle flow is imposed on the system. For the sizing and optimal use of this technology, a comprehensive understanding of flow conditions and heat transfer behaviour is essential. Therefore, three main geometries, each with different tube types and arrangements, were investigated. The CPFD-Software Barracuda® was used to simulate the different constellations under the assumption of suitable initial and boundary conditions. For the sake of comparability, ambiguities regarding minimum fluidization and fluidization degree were first eliminated. Initially, qualitative agreements with heat transfer coefficients already determined experimentally were detected. However, considerable quantitative deviations were determined. After a new parameterisation of the heat transfer model in Barracuda®, also a quantitative agreement was achieved. A MATLAB code was created to determine the bubble frequency at the different tube types. Since bubble frequency and particle convection are linked, conclusions could be drawn about the heat transfer behaviour. Finally, the relevance of baffles and the applied air-cushion technology in relation to bypass flows in fluidized bed heat exchangers and the associated energy efficiency was outlined.

Die Nutzung erneuerbarer Energiequellen zur Milderung der Auswirkungen des Klimawandels erfordert innovative Energiespeichersysteme. Eine vielversprechende Möglichkeit zur Speicherung solarthermischer Energie ist die Verwendung von kostengünstigen und umweltfreundlichen auf Partikel basierenden Systemen. Das zentrale Element dieser Technologie ist ein Wärmetauscher, der die Wärme zwischen dem Speichermedium, wie z. B. Quarzsand und dem durch Rohrbündel fließenden Arbeitsmediumüberträgt. Dieser Gegenstromwärmetauscher basiertauf einer aktiven Wirbelschichttechnologie, bei der das Speichermedium durch ein Gas fluidisiert und demSystem eine horizontale Partikelströmung aufgezwungen wird. Für die Dimensionierung und den optimalen Einsatz dieser Technologie ist eine umfassende Kenntnis des Strömungs- und des Wärmeübergangsverhaltens unerlässlich. Daher wurden drei Hauptgeometrien mit jeweils unterschiedlichen Rohrtypen und-anordnungen untersucht. Die CPFD-Software Barracuda® wurde verwendet, um die verschiedene nKonstellationen unter der Annahmegeeigneter Anfangs- und Randbedingungen zu simulieren. Umeine Vergleichbarkeit zu ermöglichen, wurden zunächst Unklarheiten bezüglich der Minimalfluidisierung und des Fluidisierungsgrades geklärt. Zunächst wurden qualitative Übereinstimmungen mit den bereits experimentell ermittelten Wärmeübergangskoeffizienten bestätigt. JedochwurdenerheblichequantitativeAbweichungenfestgestellt. Nach einer Reparametrierung des Wärmeübergangsmodells in Barracuda® konnte eine quantitative Übereinstimmung erreicht werden. Außerdem wurde ein MATLAB-Code erstellt, um die Blasenfrequenz an den verschiedenen Rohrtypen zu bestimmen. Da Blasenfrequenz und Partikelkonvektion miteinander verbunden sind, konnten Rückschlüsse auf das Wärmeübertragungsverhalten gezogen werden. Schließlich wurde die Relevanz von Leitblechen und der Luftkissentechnologie in Bezug auf Bypass-Strömungen in Wirbelschichtwärmetauschern und die damit verbundene Energieeffizienz verdeutlicht.