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Entwicklung neuer Modelle zur Beschreibung von Schüttgutströmungen in Wanderbettwärmeübertragern
(2020) Bartsch, Philipp; Thess, André (Prof. Dr.)
Granulare Medien weisen viele Eigenschaften auf, die ihre Verwendung als Wärmeträger- und Wärmespeicher in Solarthermischen Kraftwerken oder Industrieprozessen nahe legen. Wanderbettwärmeübertrager (WBWÜ) mit horizontalen Rohren bieten sich dabei an, um thermische Energie aus heißen Schüttgütern auszukoppeln. Ihre thermische Leistungsfähigkeit wird durch das komplexe, granulare Strömungsprofil im Apparat bestimmt. Daher werden präzise Simulationsmodelle benötigt, um eine Grundlage für neuartige Entwurfswerkzeuge zu bilden. In dieser Arbeit wird ein Kontinuum-Modell entwickelt, welches die Berechnung des Strömungsfeldes und Wärmetransports in einem WBWÜ ermöglicht. Ergänzend werden Simulationen mit Hilfe eines partikel-diskreten Modells durchgeführt, welches Einblick in Strömungsphänomene gewährt, welche sich auf Ebene der Einzelpartikel abspielen. Ein Fokus der Modellierungsarbeiten ist die genaue Abbildung der leistungsbestimmenden Phänomene. Beide Modelle sagen übereinstimmend die Bildung einer Stauzone auf dem Rohrscheitel voraus. Unterhalb des Rohres beginnen die Partikel sich von der Rohroberfläche abzulösen und bilden eine Leerzone. Dieser Effekt wird nur durch das partikeldiskrete Modell, nicht aber durch das Kontinuum-Modell erfasst. Um die daraus resultierende Verringerung des Wärmeübergangs zu berücksichtigen wird das Kontinuum-Modell modifiziert. Die Simulationsergebnisse zum Strömungsfeld werden anhand von optischen Messungen an einem transparenten Wärmeübertrager-Mockup validiert. Die Simulationsergebnisse zum lokalen Wärmeübergang am Einzelrohr werden ebenfalls mit Messdaten verglichen, wobei die Massenstromdichte, die Korngröße und die Rohranordnung variiert werden. Der Einfluss der Partikelgröße und Massenstromdichte auf den Wärmeübergang wird vom Kontinuum-Modell gut erfasst. Die Abweichungen zwischen Modell und Experiment hinsichtlich des mittleren Wärmeübergangskoeffizienten am Rohr liegen bei weniger als 20 %. Anhand des partikeldiskreten Modells wird die Abhängigkeit des granularen Strömungsfeldes von unterschiedlichen Einflussgrößen untersucht. Es zeigt sich, dass sich die Größe und Ausdehnung der Stauzone signifikant durch die Rohranordnung beeinflussen lässt. Gleiches gilt für die Position in der unteren Rohrhälfte, an der die Partikel beginnen, sich von der Rohroberfläche abzulösen. Die Ausdehnung der Stauzone hängt zusätzlich vom Oberflächenreibungskoeffizient der Rohrwand ab. Andere Größen wie die Massenstromdichte und die innere Reibung der Schüttung zeigen einen geringen Einfluss auf das Strömungsmuster. Anhand dieser Erkenntnisse wird eine vereinfachte Beschreibung des Wärmeübergangs zwischen einem horizontalen Rohr und einer Schüttung entwickelt. Das vereinfachte Modell wird den Messergebnissen des mittleren Wärmeübergangskoeffizienten am Rohr gegenübergestellt wobei Abweichungen von weniger als 13 % auftreten. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen damit eine deutliche Verbesserung gegenüber bestehenden Modellen, wie dem von Baumann [1], Niegsch [2] oder Schlünder [3], die je-weils eine Abweichung von 40 bis 50 % bezogen auf die experimentellen Daten aufweisen. Diese Arbeit behandelt somit die im WBWÜ ablaufenden thermophysikalischen Vor-gänge auf unterschiedlichsten Detaillierungsgraden und Modellierungsebenen. Sie liefert damit einen wichtigen Beitrag zum kosteneffizienten Einsatz granularer Wärmeträgermedien in solarthermischen Kraftwerken als Teil einer nachhaltigen Energieversorgung. Teile dieser Arbeit wurden in referierten Fachzeitschriften veröffentlicht [4] [5].