Trautmann, V. (2018). Numerische Analyse einer Partikelströmung in einem Gegenstrom-Wirbelschichtreaktor [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2018.50600
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des FFG -Forschungsprojektes "Advanced Regenerator: Partikel-Hochtemperaturwärmespeicher ohne rotierende Komponenten mit Gegenstromcharakteristik" (FFG-Projektnummer 858916). Der Advanced Regenerator (kurz AR) ist ein Gegenstrom-Wirbelschichtreaktor, welcher als Mittelzeitspeicher für Wärme, aus beispielsweise industriellen Prozessen, eingesetzt werden soll. Er besteht aus 2 Silos, welche über einen segmentierten Wärmetauscherkanal miteinander verbunden sind. Von unten wird über Sinterplatten Fluidisierungsluft eingeblasen und Regelventile, welche über den Silos und dem Wärmetauscher angeordnet sind, stellen den gewünschten Druck im jeweiligen Bereich ein. Durch ein über die gesamte Transportstrecke abfallendes Druckprofil werden die Partikel von einem Silo in den anderen transportiert. Im Rahmen dieser Arbeit soll das Transportverhalten mit der Simulationssoftware BARRACUDA® mit und ohne eingebautem Rohrbündel untersucht werden. Im Vorfeld werden bereits durchgeführte Simulationen mit Quarzsand, sowie dem Latentspeicherpartikel Natriumnitrat auf charakteristische Größen wie z.B. notwendige Fluidisierungsgrade untersucht. Anschließend wird ein Rohrbündel in den Wärmetauscherkanal des Reaktors eingesetzt, um die durch das Strömungshindernis verursachten Unterschiede in der Transportcharakteristik für Quarzsand zu beleuchten. Die Länge des Rohrbündels wird dabei in 2 unterschiedlichen Simulationsdurchgängen variiert. Mithilfe der regelbaren Druckrandbedingungen wird eine Korrelation des sich einstellenden Partikelmassenstroms erarbeitet, welche später für die reale Anwendung hilfreich sein soll. Dabei wird zwischen 2 unterschiedlichen Regelsystemen unterschieden, je nachdem ob 1 Druckregelventil für alle 3 Wärmetauschersegmente zum Einsatz kommt, oder der Druck in jedem Segment separat mit einem Ventil eingestellt wird. Weiters werden die physikalischen Grenzen für den maximalen Massenstrom abgetastet und ein zulässiger Betriebsbereich für den Advanced Regenerator mit Quarzsandpartikeln aufgestellt.
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The present work was developed as part of the FFG research project "Advanced Regenerator": Particle high temperature heat storage without rotating components with countercurrent characteristics (FFG project number 858916). The Advanced Regenerator (AR) is a countercurrent fluidized bed reactor, which is supposed to be used as midterm storage for heat from industrial processes or other applications. It consists of 2 silos, which are connected by a modular heat exchanger channel. At the bottom of the reactor fluidisation air is blown through sinterplates. At the top of the silos and the heat exchanger pressure valves regulate the pressure of each zone. The particles are transported from one silo to the other with a constant pressure drop. In scope of this work transport characteristics of the Advanced Regenerator are investigated with and without tube bundles in the heat exchanger. Previous simulated works with quartz sand as well as sodium nitrate particles are evaluated to determine i.e. necessary fluidisation grades. As a next step a tube bundle is placed in the heat exchanger to determine differences in transport characteristics. In 2 different simulations the tube bundle length varies. Using the adjustable pressure boundary conditions, a correlation for the particle mass flow is developed, in order to collect knowledge for the massflow regulation in the real application. It is distinguished between 2 different control systems, depending on the use of 1 pressure valve for all 3 heat exchanger segments or 1 pressure valve for every heat exchanger segment. Additionally the maximum physically possible mass flow is determined and a chart for the operating range of the Advanced Regenerator using quartz sand is developed.
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Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers