Simulation of a fluidized bed regenerative heat exchanger

Abstract

Aufgrund steigendem Bewusstseins und neuer Gesetzgebung gewinnt Wärmerückgewinnung zur Steigerung der Energieeffizienz an Relevanz. Insbesondere in energiehungrigen Industriezweigen wie der Stahl- und Eisenindustrie stehen typischerweise eine Reihe von Wärmequellen mit hohem Temperaturniveau zur Verfügung, die zur Erzeugung von Elektrizität genutzt werden können, wenn die Wärme nicht direkt verwertet werden kann. Mit Dampfkreisläufen kann die Wärme effizient in Elektrizität umgewandelt werden, aber diese benötigen einen kontinuierlichen Wärmestrom um Thermospannungen und Wärmedehnungs-Probleme in der Dampfturbine zu vermeiden. Wenn keine zusätzlichen Wärmequellen eingesetzt werden sollen wird ein Element benötigt, das das diskontinuierliche Temperaturprofil der Abhitzequelle glättet. In dieser Arbeit wird die Anwendung eines Fluidbett-Regenerators für die Wärmerückgewinnung in einem Brammengießprozess untersucht. Ein Matlab Modell wurde entwickelt und der Einfluss von Konstruktionsparametern auf die Glättung des Temperaturprofils und den Wirkungsgrad wurde untersucht um Optimierungspotenzial aus zu machen. Außerdem wurde der Einfluss von einer Umkehr der Strömungsrichtung des Wärmetransportmediums während dem Entladen des Regenerators untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es möglich sein sollte einen Regenerator zu konstruieren, der die Temperaturvariation des Wärmetransportmediums bei einem Massenstrom von 12 kg/s in einem Prozess mit einer Periodendauer von 1 h und einem Lastfaktor von 3:1 von 85K auf 11K reduziert. Dieser Regenerator hätte die Abmessungen 14mx3mx3.5m, würde 92 t Partikel mit einem Durchmesser von 80 μm und Rohre mit einer Gesamtoberfläche von 440m2 beinhalten. Er würde 650 kWh mit einem Wirkungsgrad von in etwa 90% übertragen. Insbesondere die hohe Wärmekapazität und der hohe Wirkungsgrad sollten diese Technologie attraktiv für Wärmerückgewinnungs-Anwendungen machen, auch, wenn es sich erst zeigen muss, ob diese Werte auch in realen Regeneratoren erreicht werden können. Die Entwicklung eines Regelungs-Konzeptes würde die Kompetitivität von Fluidbett-Regeneratoren im Vergleich zu anderen Technologien noch weiter verbessern.

Due to increasing awareness and recent legislation heat recovery is becoming more and more important, in an effort to increase energy efficiency. Especially in energy intensive industries like iron and steel production, numerous high-temperature excess heat sources are available that can be used to produce electricity, if no heat sinks are available to use the heat directly. Steam cycles offer efficient means to convert the heat into electricity, but they require continuous heat supply to avoid thermal stress and dilatation issues within the turbine. If no additional heat sources are to be used, an appliance to buffer the discontinuous excess heat is required to smooth the temperature profile. In this thesis the application of a fluidized-bed heat regenerator in the heat recovery from a steel casting process is investigated. A Matlab model has been developed and the influence of a range of construction parameters on the capacity to smooth the temperature profile and the efficiency of the regenerator was investigated to point out optimization potentials. Furthermore the effect of reversing the flow direction of the heat transfer medium during discharging is analyzed. Overall the simulation results suggest that it should be possible to build a regenerator that reduces the temperature variation of the working medium from 85K to 11K at a heat transfer medium mass flow of 12 kg/s in a process with a cycle duration of 1 h and a duty cycle of 3:1. The regenerator would have a size of 14mx3mx3.5m, contain 92 t particles with a mean diameter of 80 μm and tubes with a total surface area of 440m2. This regenerator would transfer 650 kWh with a thermal efficiency of approximately 90%. Especially the high capacity and thermal efficiency should make this technology very attractive in heat recovery applications, though it remains to be seen if these values can actually be achieved in real-world regenerators. Regardless, further development, e.g. regarding a control mechanism, could reduce the size and material requirement of the regenerator further to increase the competitiveness of the fluidized-bed heat regenerator compared to other technologies.