Fluidized bed mixing investigation: development of a new digital image analysis method

Abstract

Vermischung spielt bei der Auslegung, Optimierung und Betriebsweise großer Wirbelschichten eine Schlüsselrolle um deren Effizienz zu steigern. Diese Arbeit untersucht das seitliche Mischverhalten in einem Kaltmodell einer Blasenbildenden Wirbelschicht bei unterschiedlichen, zum Vergasungs- und Verbrennungsprozess passenden, Betriebsbedingungen. Die Analysen wurden mittels digitaler Bildanalyse durchgeführt. Dafür wurde ein Objektdetektierungsalgorithmus entwickelt und validiert. Anschließend wurden zwei theoretisch unterschiedliche Modelle implementiert (Einzelpartikelverfolgung, multiple Partikelstreuung). Alle für die Auswertung notwendigen Parameter wurden untersucht. Dabei wurde der Einfluss der Mischzellenbreite bei der Einzelpartikelverfolgungsmethode gefunden. Ohne diesen Parameter, welcher weitere Untersuchungen benötigt, können nur Größenbereiche der Dispersionskoeffizienten angegeben werden. Die Verläufe von beiden Methoden sind miteinander vergleichbar. Dennoch sind jene Werte der Einzelpartikelverfolgung höher. Hinaufskalierte Dispersionskoeffizienten der Einzelpartikelverfolgung liegen in einem Bereich zwischen 0.0064 und 0.112m2s-1 was sie vergleichbar mit Literaturwerten (0.0001 bis 0.1m2s-1) macht.

Mixing is an important key issue in large fluidized beds to design, optimize and control the reactors efficiency. This thesis investigates lateral fuel mixing in a cold flow model at several operation conditions, relevant to gasification and combustion processes. The analysis was done with digital image analysis. A new object detection algorithm was developed and validated. Furthermore two different analysis models were developed (single particle tracking and multiple particle spreading). Further on several algorithm settings are investigated. Thereby the influence of the mixing cell length on single particle tracking was found out. Without this parameter, which needs further investigation, only a range of dispersion coefficients can be given. The trends of both methods are comparable. Nevertheless the values are higher for the single particle tracking method. Scaled up single particle tracking dispersion coefficient results are in the range of 0.0064 to 0.112m2s-1 which makes them comparable to those found in literature (0.0001 to 0.1m2s-1).