Thermische Charakterisierung eines kontinuierlichen TSA-Prozesses : Numerische Untersuchung einer blasenbildenden Wirbelschicht mit externer Zirkulation unter Verwendung der Euler-Euler Methode

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist es, mit dem CFD Programm ANSYS Fluent eine numerische Untersuchung einer blasenbildenden Wirbelschicht mit externer Zirkulation unter Verwendung der Euler-Euler Methode vorzunehmen. Zuerst wurde eine geeignete CFD Methode identifiziert und die beschreibenden Gleichungen, für das zu erwartende Verhalten der Wirbelschicht, ausgewählt. Anschließend wurden die benötigten Materialeigenschaften des strömenden Fluids und der Partikel bestimmt. Um eine gute Vernetzung zu ermöglichen, wurde die Geometrie der Anlage vereinfacht. Die Anforderungen an die Netzstruktur wurden definiert und die Eigenschaften des Netzes beschrieben. Für die Wärmeleitfähigkeit von Schüttungen wurde ein eigener Modellierungsansatz verfolgt. Die Anfangs- und Randbedingungen, die Diskretisierungsmethoden und der benötigte Zeitschritt wurden bestimmt. Ein Grundmodell, sowie drei weitere Modelle wurden entworfen um die Auswirkungen von Parametern darstellen zu können: Variation des Drag Modells (Gidaspow anstatt Syamlal-O'Brien), des Specularity Koeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit des Granulats. Zur Bewertung des Strömungsregimes wurden Kriterien aufgestellt (Bettausdehnung, Ort des Auftretens der Blasen, Blasengröße und Blasenform), sowie der durchschnittliche Wärmeübergangskoeffizient berechnet. Die Simulationsergebnisse wurden anschließend mit einem Versuch und Korrelationen aus der Literatur verglichen. Das Strömungsregime lässt sich in der dichten Phase in allen Varianten nachbilden. In der diluten Phase, an der Bettoberfläche, liefert jedoch nur das Drag Modell nach Gidaspow im Ansatz ähnliche Ergebnisse wie der Versuch. Der Wärmeübergangskoeffizient besitzt die gleiche Größenordnung, weicht aber signifikant vom Versuch und den Korrelationen ab. Mithilfe der Simulation lässt sich der lokale Wärmeübergang am Rohr beobachten.

The aim of this thesis is to perform a numerical analysis of a bubbling fluidized bed with the CFD program ANSYS Fluent using Euler-Euler method. First, a suitable CFD method was identified and the descriptive equations for the expected behavior of the fluidized bed were selected. Then, the required material properties of the fluid and the particles were determined. The geometry of the plant was presented and simplified to allow good meshing. The requirements of the mesh were defined and the properties described. A particular modeling approach for the thermal conductivity of fluidized beds was pursued. The initial and boundary conditions, the discretization methods and the required time step were determined. A basic model and three additional models were designed to show the effects of parameters: variation of the drag model (Gidaspow instead of Syamlal-O'Brien), the specularity coefficient and the thermal conductivity of the particles. To assess the flow regime, criteria were established (bed expansion, location of bubbles, bubble size and bubble shape) and the average heat transfer coefficient was calculated. The results of the simulations were compared with an experiment and correlations from the literature. The flow regime of the basic model and the three variants can be replicated in the dense phase, but in the dilute phase at the bed surface, only the drag model according to Gidaspow yields similar results as the experiment. The heat transfer coefficient is in the same order of magnitude but deviates significantly from the experiment and the correlations. The simulation is used to observe the local heat transfer at the pipe.