Numerical study on the efficiency of a packed bed thermal energy storage using a novel flow configuration

Abstract

Industrielle Abwärmenutzung ist in vielen Industriebetrieben eine Möglichkeit zur Gesamteffizienzsteigerung und ein Schritt in Richtung nachhaltiger Produktion. Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer Prototyplösung eines Festbettregenerators (PBTES). Dieser kann zur Abwärmenutzung und Entstaubung von Abgasen, zum Beispiel eines Elektrolichtbogenofens (EAF) in der Stahlindustrie, verwendet werden. Dieser neuartige PBTES besteht aus einem Filter- und einem Speichermodul, die voneinander getrennt und konzentrisch angeordnet sind. Das staubbeladene Abgas wird durch die erste Schüttung (Filtermodul) gefiltert und in das Speichermodul geleitet, wo die Wärme des Abgases an das Speichermaterial, Schlackepartikel, abgegeben wird. Die thermische Effizienz wurde für unterschiedliche Anordnungen der Speicher- und Filtermodule untersucht. Dazu wurde eine Vorauslegung der PBTES-Geometrie durchgeführt, so dass Filter- und Speichermodul getauscht werden können. Dabei konnte festgestellt werden, dass die Molerus-Gleichung zur Bestimmung der Festbetthöhe aufgrund des Staubes im Abgas nicht für diesen Fall anwendbar ist. Mittels experimenteller Werte, Daten aus der Industrie sowie des Modells nach Raczynski konnte die Geometrie mit einem Durchmesser von 10,18 m und einer Höhe von 6,016 m bestimmt werden. Die Speicherbetthöhe liegt bei 4,0 m.Diese Geometrie bietet die Grundlage für das numerische Modell. Mittels Computational Fluid Dynamics (CFD) mit der Software ANSYS Fluent wurde das thermische Verhalten zweier unterschiedlicher Speicher-/Filteranordnungen miteinander verglichen. Mit dem numerischen Modell wurde eine transiente Simulation durchgeführt, die das Festbett des Filters sowie Speichers als poröses Medium modelliert. Zur Bewertung des thermischen Verhaltens wurden die Simulationen eines gesamten Zyklus (Laden-Standby-Entladen) beider PBTES-Bauformen miteinander verglichen. Dabei stellte sich heraus, dass der PBTES, der das Filtermodul innen und das Speichermodul außen rundherum verbaut hat, mit einem Wirkungsgrad von 0,841 die um ca. 2,5 % thermisch effizientere Variante ist. Dies liegt an höheren Verlusten der anderen Bauform durch höhere Wärmeleitung nach außen sowie einer turbulenteren Strömung im Inneren des PBTES. Weiters konnte festgestellt werden, dass die Geometrie nicht ideal für den Anwendungsfall ist; in einer Ladephase werden nur etwas mehr als ein Viertel des Speichermaterials verwendet. Weitere Untersuchungen zur Dimensionierung und Implementierung von PBTES in den EAF-Prozess sind notwendig.

Industrial exhaust gas utilization is a way to improve the overall efficiency of industrial processes and is a step towards sustainable production. This thesis investigates a prototype solution of a packed bed thermal energy storage (PBTES), which can be implemented for waste heat utilization and cleaning of exhaust gases, e.g., from an electric arc furnace (EAF) in the steel industry. This prototype PBTES consists of two modules: a filter and a storage. Both modulesare packed beds of slag with different heights. For charging, the dust-laden exhaust gas enters the PBTES, flows through the filter bed, where the dust settles in the pores between the bed particles. The clean exhaust gases flow onto the storage, where most of the energy is released to the storage material. For discharging, the flow direction is reversed. This thesis investigated whether the arrangement of the modules influences the thermal efficiency of the system. A preliminary, simplified design of the PBTES geometry with interchangeable modules was established based on data from the industry partner and experimental values. The pressure drop in the dust-laden filter module was calculated using the Raczynski model. The height of the storage module of 4.0 m was determined using the Molerus equation. Further assumptions were made to determine the diameter of 10.18 m and the total PBTES height of 6.018 m.This geometry provides the basis for the numerical model. With Computational Fluid Dynamics (CFD), calculated by the software ANSYS Fluent, the two different storage/filter designs are compared. The numerical model represents a transient simulation that considers the packed bed of the filter as well as the storage as a porous medium. The results of a complete cycle (charging-standby-discharging) were compared for both geometries. The PBTES, with the filter module on the inside and the storage as the outer module, has a thermal efficiency of 0.841. This is approximately 2.5% more than the other module arrangement. This is due to higher heat conduction to the outside, as well as more turbulent flow inside the PBTES. Furthermore, results indicate that the proposed geometry is not ideal for the use-case investigated. During charging, only 25 % of the storage material is used. Further research into the dimensioning and implementation of PBTES in the EAF process is necessary.