Thermal characterisation of a continuous temperature swing adsorption (TSA) process : Lab-scale investigations on heat transfer behaviours of finned tubes in a CFB

Abstract

Für die Design-Optimierung eines potentiellen Wärmeaustautsches innerhalb einer Gas-Feststoff Wirbelschicht müssen ihre thermischen Eigenschaften, wie z.B. der Wärmeübergang, untersucht werden. Das Ziel dieser Arbeit war es, das thermische Verhalten von Lewatit © VP OC 1065 in Wirbelschichten zu untersuchen. Der Wärmeübergangskoeffizient von vier verschiedenen Rohren mit glatten und segmentierten spiralförmig angeordneten Kreisrippen wurde in einer Wirbelschicht aus Lewatit © VP OC 1065 mit variabler Fluidisierungsgasgeschwindigkeit gemessen. Die erhaltenen Daten dienten zur Entwicklung einer Korrelation. Es wurden Einzelrohranordnungen und Bündelanordnungen in einem Prüfstand mit quadratischem Querschnitt von 200 mm Seitenlänge untersucht. Um die Qualität der Messdaten zu erhöhen, wurde eine Messwertvalidierung zur Schließung der für das System aufgestellten Energiebilanz implementiert. Des Weiteren wurde eine Messunsicherheitsberechnung durchgeführt um die Aussagekraft der Messwerte zu erhöhen. Es wurden unterschiedliche Rohre untersucht, um herauszufinden, welches der Rohre die höchste übertragbare Wärmeleistung bietet, die dem Wärmeübergangskoeffizienten und der Größe der Oberfläche direkt proportional ist. Drei der Rohre unterschieden sich nur im unterschiedlichen Rippenabstand. Das vierte Rohr unterschied sich vom Rohr mit dem größten Rippenabstand nur darin, dass die Kreisrippen dieses Rohres segmentiert waren. Der Wärmeübergangskoeffizient sank mit sinkendem Rippenabstand von Rohr 1 auf Rohr 2, stieg jedoch mit weiter sinkendem Rippenabstand bei Rohr 3. Dieses Verhalten wird vermutlich durch die elektrostatische Aufladung der Partikel, die einen starken Einfluss auf die Partikelbewegung zwischen den Rippen hat, verursacht. Rohr 3, mit dem geringsten Rippenabstand und der größten Oberfläche, lieferte die höchste übertragbare Wärmeleistung. Nach der Analyse und Auswertung der gemessenen Daten wurden zwei Korrelationen zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten von Einzelrohren und Rohrbündeln entwickelt.

In terms of design optimization of a potential heat exchange within a gas-solid contacting stage, its thermal behaviours e.g. heat transfer have to be investigated. The aim of this thesis was to investigate the thermal behaviour of Lewatit © VP OC 1065 within fluidized beds. The heat transfer coefficient (HTC) of four different tubes with circular helical fins has been measured in a fluidized bed of Lewatit © VP OC 1065 with variable fluidization gas velocity to obtain data for the development of a dimensionless correlation. The measurements were conducted in single tube configuration as well as in staggered and in-line bundle configuration within a square test rig with 200 mm in length and width. To increase the quality of the measured data a measurement validation was used to fulfill the energy balance that was set up for the system. For a higher expressiveness of the apparent HTC values a measurement uncertainty calculation was carried out. Different finned tubes have been examined to distinguish which tube delivers the highest transferable heat which is direct proportional to the surface area and the HTC. Three of the tubes only differ in the different fin pitch. The fourth tube is identical to the tube with the highest fin pitch except that the fins of this tube are segmented. The HTC decreased with decreasing fin pitch for the first two tubes. For the tube with the lowest fin pitch the HTC increased again. This behaviour is probably caused by the electrostatic charging of the particles which has a high influence of the particle movement between the fins. It was found that from the examined tubes the one with the lowest fin pitch and the highest surface area provides the highest transferable heat. After the analysis and evaluation of the obtained data two correlations for the calculation of the HTC are proposed. One correlation for single tubes and another for tube bundles was found. For utilization of these correlations the given range of validity has to be considered.