Diskrete Elemente Methode - innovative Simulationsmethode zur Abbildung des dynamischen Schüttgutverhaltens

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1 Diskrete Elemente Methode - innovative Simulationsmethode zur Abbildung des dynamischen Schüttgutverhaltens Dr. Harald Kruggel-Emden Lehrstuhl für Energieanlagen und Energieprozesstechnik (LEAT) Ruhr-Universität Bochum Tel.: kruggel-emden@leat.rub.de SCHÜTTGUT 2012 Dortmund Gliederung Forschungsschwerpunkte LEAT - Schüttguttechnik Diskrete Elemente Methode (DEM) DEM Simulation - Beispiel: Transport von Holzpellets DEM/CFD Simulation - Beispiel: Herstellung von Branntkalk DEM/CFD Simulation - Beispiel: Rostfeuerung 2

2 Gliederung Forschungsschwerpunkte LEAT - Schüttguttechnik Diskrete Elemente Methode (DEM) DEM Simulation - Beispiel: Transport von Holzpellets DEM/CFD Simulation - Beispiel: Herstellung von Branntkalk DEM/CFD Simulation - Beispiel: Rostfeuerung 3 Forschungsschwerpunkte LEAT - Schüttguttechnik Einzelpartikelmodelle und Modellauswirkung auf Systeme Einfluss von komplexen Partikelformen Untersuchungen zur Durchmischung in Schüttungen Pneumatische Förderung Wärmeübertragungsmodelle Granulare Wärmeübertrager Feuerungssysteme Kalkschachtöfen 4

3 Gliederung Forschungsschwerpunkte LEAT - Schüttguttechnik Diskrete Elemente Methode (DEM) DEM Simulation - Beispiel: Transport von Holzpellets DEM/CFD Simulation - Beispiel: Herstellung von Branntkalk DEM/CFD Simulation - Beispiel: Rostfeuerung 5 Schüttgüter - Größenskalen d Partikel [mm] 6

4 Diskrete Elemente Methode (DEM) Bewegungsgleichungen der Partikel k F v v r P v dvi mi dt G F v v dωi Ii = dt r = m g + N i j= 1 G F v r M k F v v r P ij N j= 1 r F k ij 7 Diskrete Elemente Methode (DEM) Feder-Dämpfer Kraftmodell Feder Dämpfer Stoßmodell zur Beschreibung des Partikel Partikel Kontaktes Experimentelle Bestimmung der Federsteifigkeit und des Dämpfungskoeffizienten (materialspezifisch) 8

5 Diskreter Elemente Code des LEAT Leistungsmerkmale - Ermöglicht Simulation unterschiedlicher Schüttgüter: polydisperse Schüttungen (Kugeln) Partikelcluster Partikelpolyeder - Variable Kontaktkräfte (z.b. Haft- und Rollreibung) - Berücksichtigung von komplexen Wandgeometrien - Zellbasierte Kollisionserkennung - Anbindung von CFD-Software (FLUENT,CFX) - Effiziente Parallelisierung - Datenexport an externe Software (z.b. TECPLOT) Kommerzielle DEM-Software - PFC (ITASCA) - EDEM (DEM Solutions) 9 Mögliche Partikelgeometrien Partikelcluster Partikelpolyeder 0,02 m 0,03 m 0,06 m 10

6 Gliederung Forschungsschwerpunkte LEAT - Schüttguttechnik Diskrete Elemente Methode (DEM) DEM Simulation - Beispiel: Transport von Holzpellets DEM/CFD Simulation - Beispiel: Herstellung von Branntkalk DEM/CFD Simulation - Beispiel: Rostfeuerung 11 Schneckenförderung von Holzpellets 12

7 Kräfte bei der Schneckenförderung von Holzpellets 13 Gliederung Forschungsschwerpunkte LEAT - Schüttguttechnik Diskrete Elemente Methode (DEM) DEM Simulation - Beispiel: Transport von Holzpellets DEM/CFD Simulation - Beispiel: Herstellung von Branntkalk DEM/CFD Simulation - Beispiel: Rostfeuerung 14

8 Beispiel: Gekoppelte DEM/CFD-Simulation Simulationsbeispiel: Gewinnung von Branntkalk (CaO) - Industrielle Nutzung: Trocknungsmittel, Entschwefelung - Herstellung: CaCO 3 CaO + CO 2 (energieintensiv) - Herstellung in Drehrohrofen oder Schachtofen Modellrahmen: Datenaustausch: DEM-Modell (instationär) v Gas, T Gas, Gasmassenbrüche Quellterme für Energie, Gasspezies und Impuls CFD-Modell (stationär) 15 Calcinierung und Sulfatierung / Wärmeübergang Schalenmodell Calcinierung: CaCO 3 CaO + CO 2 evtl. Sulfatierung: CaO + SO O 2 CaSO 4 Wärmeübertragungsmechanismen Konvektiver Wärmeübergang zwischen Gas und Partikeln Wärmeleitung in den Partikeln durch ein Schalenmodell 16

9 Ergebnisse: Verkleinerter Kalkschachtofen Kalkstein Erwärmung Zonen: Vorwärmzone Brennzone Betriebsparameter Materialaufgabe [t/d] 3.34 Verweilzeit [h] 8 Luftstrom [m 3 /h] Steineintrittstemperatur [ C] 20 Lufteintrittstemperatur [ C] Fall 1: 20; Fall 2: 350 Wärmeeintrag [kw] 80 Partikel Durchmesser [mm] 17; 22; 32; 45 Kühlluft Kühlzone Modellannahmen: - Kalkstein: 98,5% CaCO 3 und 1,5% H 2 O - Gas als ideales Gemisch mit N 2, O 2, CO 2 und H 2 O - Kein Wärmeübergang durch Strahlung 17 Ergebnisse für die Partikeltemperaturen Betriebsfall 1 Betriebsfall 2 CaCO 3 -Kern CaO-Hülle CaCO 3 -Kern CaO-Hülle 18

10 Ergebnisse für die CaO-Massenanteile Betriebsfall 1 Betriebsfall 2 Mittlerer Calcinierungsgrad 55% Mittlerer Calcinierungsgrad 95% 19 Ergebnisse für einen realen Kalkschachtvorwärmer Vergleich zwischen Messungen und Simulationen Temperaturmessungen 20

11 Gliederung Forschungsschwerpunkte LEAT - Schüttguttechnik Diskrete Elemente Methode (DEM) DEM Simulation - Beispiel: Transport von Holzpellets DEM/CFD Simulation - Beispiel: Herstellung von Branntkalk DEM/CFD Simulation - Beispiel: Rostfeuerung 21 Komponenten einer Müllverbrennungsanlage 1. Entladehalle 2. Müllbunker Kran 4. Aufgabeschacht 5. Aufgabeschieber Rost 7. Primärluftzufuhr 8. Sekundärluftzufuhr 9. Entascher 10. Kessel Quelle: vonroll Inova (2009) 22

12 Hausmüll auf einem Vorschubrost 23 Eigenschaften von Hausmüll Hausmüll ist ein spezielles Schüttgut Unterschiedliche Formen und Größen/Inhomogene Eigenschaften Änderung der Form, Größe und Dichte während Verbrennung Simulation der Müllverbrennung Vereinfachung der Partikelgeometrie notwendig Agglomerieren muss modelliert werden Approximation der Bewegungsbahnen des Materials durch repräsentative kugelförmige Partikel & Adhäsionsmodell 24

13 Berücksichtigung von Partikeladhäsion Keine Adhäsion Starke Adhäsion 25 Kopplung zwischen DEM und CFD CFD-Model 3D, stationär RB von DEM an CFD (Gas) DEM-Model 3D, instationär RB von CFD an DEM (Strahlung) 26

14 Ergebnisse CFD Temperatur [ C] Massenanteil O 2 0,210 0,189 0,168 0,147 0,126 0,105 0,084 0,063 0,042 0,021 0 Sekundärluft 27 Ergebnisse DEM - Vorschubrost 28

15 Temperatur [ C] Gastemperaturen oberhalb des Brennstoffbettes ,2 0,4 0,6 0,8 1 Relative Rostlänge [-] Messung Simulation 29 Zusammenfassung Gute Wiedergabe des Schüttgutverhaltens durch die DEM DEM ermöglicht zusätzlich Einblicke in die Wärmeübertragung und eventuelle chemische Umsetzung eines Schüttgutes Derzeit Einschränkungen bei maximaler Partikelzahl reale Systeme können aber untersucht werden DEM kann experimentelle Untersuchungen ergänzen oder teilweise sogar ersetzten Optimierung von Anlagen und Apparaten möglich Interesse an angewandten Fragestellungen/Kooperationen Kontakt: kruggel-emden@leat.rub.de emden@leat.rub.de 30