Analyse der Temperaturverteilung im Festbett und in der Wirbelschicht nahe des Lockerungspunktes

Abstract

Der Anteil am Bruttoinlandsverbrauch an Energie der Europäischen Union (EU) durch die Industrie, belief sich für das Jahr 2015 auf rund 25 %. Um den zukünftigen Energieeinsparzielen der EU in Hinblick auf eine Effizienzsteigerung gerecht zu werden, sind hier jedenfalls Energieeinsparpotentiale zu nutzen. Eines dieser Einsparpotentiale stellt die industrielle Abwärme dar, welche beispielweise in der Prozessindustrie anfällt. Eine temporäre Wärmespeicherung und für spätere Prozessschritte Wiedernutzbarmachung dieser, kann zur Erreichung der Effizienzsteigerung beitragen. Eine Art dieser Speicher könnten Wirbelschichtspeicher, beispielsweise mit Sand als Wärmespeichermaterial, darstellen. Hohe Wärmeübergangskoeffizienten von Heizflächen auf die Wirbelschicht sind hier für die Wärmespeicherung von Vorteil. Durch eine möglichst geringe Fluidisierung sollen Wärmeverluste über die Fluidisierungsluft, sowie die aufzuwendende Energie zur Luftbereitstellung, minimiert werden. Um definierte Zustände innerhalb der Wirbelschicht zu gewährleisten und somit die Wärmespeicherung besser quantifizieren zu können, will man in der Praxis eine homogene Temperaturverteilung ohne wesentliche Temperaturdifferenzen im Bett erreichen In dieser Arbeit werden Versuche an einer zylindrischen Gas-Feststoff-Wirbelschicht, sowie einem Festbett (190x216 mm und 190x108 mm) aus Quarzsand, unterschiedlicher Partikelgröße (d_P=91 m, d_P=186 m) und einem mittig eingebauten Heizstab gemacht. Mittels Temperaturfühler wird über die Ermittlung von Temperaturunterschieden innerhalb des Betts, bei Fluidisierungszuständen nahe des Lockerungspunktes, die Temperaturverteilung bewertet. Die so erbrachten Ergebnisse werden dann mit theoretisch berechneten Dispersionskoeffizienten ins Verhältnis gesetzt. Es konnte durch die Versuche gezeigt werden, dass lokale Temperaturunterschiede in der Wirbelschicht in unmittelbarer Nähe des Lockerungspunktes, aufgrund einer zeitlichen, nicht idealen Durchmischung, auftreten. Mit einer sukzessiven Erhöhung der Fluidisierung, näherte sich die Wirbelschicht schnell dem in der Literatur beschriebenen Zustand des idealen Rührkessels an, bei welchem keine wesentlichen Temperaturunterschiede in der Wirbelschicht mehr vorhanden sind. Für alle Versuchsreihen stellte sich ab Fluidisierungszahlen von 1.61.8 ein dem idealen Rührkessel ähnlicher Zustand der Temperaturverteilung innerhalb des Betts ein.

The amount of energy consumed by the industry in the European Union (EU) in 2015 was around 25 % of the overall consumed energy. To achieve the EUs future energy saving targets, in relation to an increase in energy efficiency, one has to exploit available energy saving methods. One of those energy saving potentials comes with industrial waste heat, which occurs for example in the process industry. Storing this type of energy and reusing it in later process steps, may help to increase energy efficiency. One type of such storage systems might be fluidized bed heat storages, which for instance could use sand as the main heat storage material. High heat transfer coefficients from immersed heat surfaces to the fluidized bed, are beneficial for this type of heat storage. To minimize the amount of energy that is used to operate the fluidized bed and to decrease the amount of heat that is lost through the air, one should try to operate the bed near minimum fluidization velocity. However, to ensure well defined conditions throughout the bed and to be able to quantify heat storing properly, it is favorable to have a homogenous heat distribution throughout the bed, without the existence of main heat differences. In this work, experiments in a cylindrical bubbling fluidized bed, as well as a packed bed (190x216 mm and 190x108 mm), with quarzsand of different size (d_P=91 m, d_P=186 m) and a centered heat tube, are made. With the use of temperature sensors, the temperature distribution throughout the bed is investigated near the minimum fluidization velocity. The findings of this experiments are then compared to a theoretical dispersion coefficient. The experiments showed, that local temperature differences in fluidized beds near the minimum fluidization velocity occur because of a non-ideal temporal mixing of particles in the bed. With increasing fluidization, the bed approaches quickly the state of the so called ideal stirred tank, where no more major temperature differences appear. At fluidization numbers of 1.61.8, the temperature distribution throughout the bed was somewhat similar to the theory of the ideal stirred tank.