Title: Effect of particle contact point treatment on the heat transfer in packed beds
Other Titles: Die Auswirkung der Kontaktstellen-Behandlung auf den Wärmetransport in Partikel-Schüttungen
Language: English
Authors: Pichler, Mario 
Qualification level: Diploma
Keywords: CFD; Wärmeleitfähigkeit; Schüttung
CFD; thermal conductivity; packed bed
Advisor: Harasek, Michael  
Assisting Advisor: Jordan, Christian  
Sisakht, Bahram Haddadi 
Issue Date: 2018
Number of Pages: 134
Qualification level: Diploma
Abstract: 
In den letzten Jahren hat sich die CFD-Simulation von voll aufgelösten Festbettreaktoren als ein populäres Hilfsmittel zur genaueren Untersuchung von lokal Transportphänomenen in solchen Packungen erwiesen. Auf das Problem der Behandlung von Kontaktpunkten zwischen zwei Partikeln und bei Partikel-Wand-Punkten, dass bei der Gittererzeugung auftritt, ist besonders Acht zu geben, um korrekte Simulationsergebnisse zu erhalten. Die verschiedenen Möglichkeiten Kontaktpunkte zu behandeln haben Auswirkung auf den berechneten Druckverlust über die Füllkörperschüttung und die Temperaturverteilung im Bett. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Möglichkeiten der Kontaktpunktbehandlung bei der Gittererstellung von Festbetten, bestehend aus Kugeln, getestet. Der Wärmetransport im Festbett wird mit experimentellen Messungen und etablierten Korrelationen verglichen. Die mithilfe von Design of Experiments (DoE) sorgfältig ausgewählte Experimente und Simulationen wurden genutzt, um den Einfluss von wichtigen Bettparametern auf den Wärmetransport in der Packung zu untersuchen. Diese sind Kugelgrößen, Kontaktpunktbehandlung (im speziellen der Größe und effektiven Wärmeleitfähigkeit von Zylindern zwischen Kugeln, den Brücken oder 'bridges') und das Bettmaterial. Dabei wurde ein Augenmerk darauf gelegt, dass ausschließlich natürliche Konvektion auftritt, um den Wärmetransport nicht mit anderen Transportphänomenen (konvektivem Wärmetransport) zu überlagern. Weiters wurde eine große Spanne von Wärmeleitfähigkeiten, von Glas (k = 1.129 W/(m K)) bis hin zu Aluminium (k = 236 W/(m K)), untersucht. Kugelpackungen wurden mit Hilfe der diskreten Elemente Methode (DEM) erzeugt, gegebenenfalls in der Pre-/Post-Processing software SALOME modifiziert und der Wärmetransport anschließend mit der open-source Software OpenFOAM simuliert. Die Simulationsergebnisse wurden mit den Messungen verglichen und ein Modell zur Minimierung der Abweichung zwischen Simulation und Experiment erstellt. Gute Ergebnisse bei der CFD-Simulation des Wärmetransports in Kugelpackungen, bestehend aus gleich großen Kugeln, ohne erzwungene Konvektion, für eine große Spanne von Wärmeleitfähigkeiten und der Verwendung der Brücken-Methode ('bridges method') in Verbindung mit dem präsentierten Model, wurden damit erzielt. Zur Validierung des Modells wurden zusätzlich zu den DoE-Simulationen für Stahlkugeln und verschiedenen Brückengrößen durchgeführt.

In recent years computational fluid dynamic (CFD) simulation of fully resolved fixed beds has become a popular tool for getting deeper insight in local phenomena in packings. To get correct simulation results, one has to be especially careful on how to treat particle contact points. Different methods of particle point treatment have significant influence on the heat transfer and pressure drop in packed beds. In this work different contact point treatment methods are tested and the heat transfer in packed beds is compared to experimental measurements and well established correlations. Using 'Design of Experiments' (DoE), a set of experiments is carefully selected, to study the influence of sphere diameter, contact point treatment (including the size and effective thermal conductivity of cylinders, so called bridges, which are inserted between particles), and the bed material on the heat transfer. Here only natural convection is considered, so that conduction is the main heat transfer mechanism. Moreover a wide variety of thermal conductivities (glass: k = 1.129 W/(m K), steel: k = 54 W/(m K), aluminium: k = 236 W/(m K)) is studied. Packed beds were created using the Discrete Element Method (DEM), were modified in the pre-/post-processing software SALOME if necessary and the heat transfer was then simulated using the open-source software OpenFOAM. Simulation results were compared to experimental measurements, and a model was fitted to reduce the simulation error. Using this model the effective thermal conductivity for bridges between spherical particles can be calculated. Good results are achieved in the CFD-simulation of packed beds, consisting of monosized spheres, without forced convection and for a wide range of thermal conductivities when using the bridges method and the presented model. To validate the model, in addition to the DoE simulations, simulations for steel spheres and different bridge sizes were carried out.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-109969
http://hdl.handle.net/20.500.12708/4367
Library ID: AC14556986
Organisation: E166 - Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und technische Biowissenschaften 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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