Modellierung der Wärmeübertragung. in bewegten Schüttungen (auf Verbrennungsrosten)
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- Rosa Möller
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1 Modellierung der Wärmeübertragung Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik in bewegten Schüttungen (auf Verbrennungsrosten) Dr.-Ing. Siegmar Wirtz VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013
2 Übersicht: Einleitung und Zielsetzung Diskrete Elemente Methode Wärmeübertragungsmechanismen Einzelpartikel Partikelkollektive reagierende Partikel Wie kann man dies im Kontext Rostverbrennung nutzen Ergebnisse für großtechnische Anlagen VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 2
3 Einleitung und Ziel: Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik Beispiel einer bewegten Schüttung: VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 3
4 Vereinfachungen: Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik Hausmüll ist ein spezieller Brennstoff: Große Bandbreite hinsichtlich Formen und Größen Inhomogene Eigenschaften: Zusammensetzung, H u, Änderung der Form, Größe und Dichte während Verbrennung Mehrzahl der Partikel Bi > 1, innerer Wärmetransport wichtig notwendige Vereinfachungen: Partikelgeometrie = repräsentative kugelförmige Partikel Bildung von Agglomeraten = Kohäsionsmodell Mischung und Verweilzeit = Kontrolliert durch die Rostbewegung individuelle mechanische & thermochemische Eigenschaften = Häufigkeitsverteilungen und partikelbasierte Simulation => Diskrete Elemente Methode VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 4
5 Diskrete Elemente Methode starre Partikel Mehrkörperkontakte Beschreibung der Bewegung durch: Newton-Gleichung Euler-Gleichung v 2, ' ' 2 2 v 1, ' 1 ' n Fel 2 v 2, '' '' 1 '' 2 v 1, '' 1 n F diss VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 5
6 Bewegung einer trockenen Kugelschüttung VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 6
7 und mit Kohäsion Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 7
8 Altersverteilungen Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 8
9 Verweilzeiten auf dem Rost t residence t Ver /t /t residence,theor Ver,typ [-] [-] 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 keine Kohäsion case 1 case 2zunehmende case 3 case Kohäsion 4 case 5 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% standard deviation [%] Standardabweichung [%] VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 9
10 Mischung aufgrund der Rostbewegung VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 10
11 Wärmeübertragung: Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik Leitung 1. Wand Partikel 2. Partikel Partikel 3. Innerhalb des Partikels 4. Wand Gas Partikel 5. Partikel Gas Partikel 6. Gas Strahlung 7. Wand Partikel 8. Partikel Partikel 9. Partikel Gas 10.Wand Gas 11.Gas Konvektion 12.Mischung von Gasströmen 13.Partikel Gas 14.Wand Gas VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 11
12 Modellierung der Wärmeleitung innerhalb des Partikels: Reduktion der Wärmeleitung auf einen 1-dimensionalen Fall Kugel: n=2, Zylinder: n=1, Platte: n=0 T t 2 T r c p 2 n r T r T r r q 0 R 1 2 n-1 n DEM VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 12
13 Vergleich Messung vs. Berechnung Temperatur [ C] Zeit [s] Messung (800 C) Crank-Nicholson (800 C) Schalenmodell (800 C) Crank-Nicholson (500 C) Schalenmodell (500 C) VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 13
14 Partikel untereinander (Wärmeleitung): Wärmestrom: Q P1 P 2 = R G R C T Wärmeleitung Partikel-Partikel (Basis Hertz): 1 R C = 2 k S r C k S : Wärmeleitfähigkeit Partikel r C = 3 1 γ2 F N r hm 2 E hm Wärmeleitung Partikel-Fluid-Partikel l G R G = A G k G k G : Wärmeleitfähigkeit Gas A G = 2 π r 2 2 P π r C l G = r P 2 1 π 4 r P r C 1 3 VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 14
15 Wärmeleitung in ruhender Schüttung: vereinfachtes Modell analog zum Partikelstrahlungsmodell Bezugsraum wird über das DEM-Gitter bestimmt (Nachbarzellen) Alle Partikel in diesem Gebiet tauschen Wärmeströme mit dem Bezugspartikel aus eff. Wärmeleitung aus Partikelkontakt und Wärmeleitung durch den Gasraum λ eff über Korrelation berechnet (VDI-Wärmeatlas) Q Kontakt = λ eff Distanz A Partikel T Bezugspartikel (BP) VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 15
16 Partikel untereinander (Wärmeleitung): VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni S. Wirtz 16
17 Partikel untereinander (Wärmeleitung): 1,8 eff. Wärmeleitfähigkeit [W/mK] 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, ,3 348,4 374,2 424,0 448,1 mittlere Betttemperatur [K] Keramik_VDI Keramik_Simulation Stahl_VDI Stahl_Simulation Aluminium_VDI Aluminium_Simulation VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 17
18 Zusätzlich Wärmestrahlung: Vergleich mit Messdaten von Yagi & Kunii (1957) VDI-Wärmeatlas Messungen im stationären Zustand: Q Ein = Q Aus λ eff wird über die Temperaturdifferenz im Schüttungsbett bestimmt Heizelemente (elektr.) Schüttung Thermoelemente Isolierung Q Aus Q Ein Q Aus Gebiet für DEM-Simulation VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 18
19 Randbedingungen der DEM-Simulationen Simulation der Wärmeleitung durch Schüttbett Vorgeben eines konstanten Eingangs- und Ausgangswärmestromes Auswertung nachdem sich stationäres Temperaturprofil eingestellt hat H Q Aus d; A quer = d 2 *pi/4 T mid Ebene 2 Wärmetransport nur über Wärmeleitung in ruhender Schüttung und Strahlung (Partikel Partikel) λ eff = A quer Q Ein,Aus H T mid,2 T mid,1 T mid Ebene 1 Q Ein VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 19
20 VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 20
21 Bei Durchströmung der Schüttung: 0.7 m Randbedingung Simulation Aufheizung von Stahlkugeln im Rosttopf Schütthöhe ca. 0.5 m Outlet 0.15 m Annahme: Tu = 25 C α = 10 W/m² K Edelstahlschicht (2 mm) Isolierungsschicht (50 mm) - Funktion für Eintritts- Massenstrom - Funktion für Eintritts- Temperatur Lochplatte wird in Simulation nicht berücksichtigt Inlet VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 21
22 Bei Durchströmung der Schüttung: VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 22
23 Bei Durchströmung der Schüttung: Messkonzept E6 E5 E4 E3 E2 E1 50 mm über Lochplatte 100 mm - Messung der Partikeltemperatur auf 6 Ebenen - Auf 4 Ebenen: Radiales Profil - Messung der Gastemperatur am Ein- und Austritt - Druckmessung: - vor und nach Lochplatte - oberhalb der Schüttung VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 23
24 Bei Durchströmung der Schüttung: VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 24
25 Anwendung auf Rostfeuerungen: CFD-Model DEM-Model RB von DEM an CFD (Gas) VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 25
26 Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik Anwendung auf Rostfeuerungen: CFD-Model (Fluent, 3-dimensional, stationär) Turbulenzmodel: k- SST Reaktionsmodel: Eddy Dissipation & Finite Rate Chemistry Strahlungsmodel: P1 DEM-Model (3-dimensionaler Streifen, instationär) Partikelzahl auf Rost: ~8000 Unterer Heizwert: 10 MJ/kg Massenanteil Holz: 15 % Massenanteil Kunststoff: 15 % Massenanteil Organik: 30 % Massenanteil Inert: 20 % Massenanteil Rest: 20 % Diss. B. Brosch, Bochum, 2012 VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 26
27 Anwendung auf Rostfeuerungen: Temperaturverteilung während des Abbrandes VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 27
28 und zugehörige Feuerraumsimulation: Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik Sekundärluft Sekundärluft VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 28
29 Simulation eines Vorschubrosts CO2-Anteil [Vol.-%] Kohlendioxid oberhalb des Brennstoffbettes 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Relative Rostlänge [-] Messung Simulation VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 29
30 Zusammenfassung: Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik Rostfeuerungen werden durch die Wechselwirkung von Bettbewegung und Strahlungswärmestrom beeinflusst. Korrekte Abbildung der Wärmeübertragung in der bewegten Schüttung ist entscheidend. DEM-Simulation kann Details der Prozesse abbilden. Messungen der Strahlungswärmeströme auf ein Brennbett in MVA s existieren derzeit noch nicht. VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 30
31 Das DEM-Team des LEAT: Frederik Elskamp Jennifer Hold Dominik Höhner Bastian Krause Harald Kruggel-Emden Hendrik Komossa Tobias Oschmann Gerd Stein Florian Sudbrock Kevin Vollmari Jens Wiese Frank Wissing VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 31
32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit VDI-Fachkonferenz Feuerung und Kessel Köln Juni 2013 S. Wirtz 32
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