Konzeptentwicklung und Konstruktion eines Direktkontakt-Wärmeübertragers für Keramikpartikel und atmosphärische Luft

Kurzfassung

In der hier vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur Direktkontaktwärmeübertragung zwischen heißen Partikeln und atmosphärischer Luft entwickelt. Diese soll sich idealerweise auf die Eintrittstemperatur der Partikel erwärmen und das Granulat auf die Eintrittstemperatur der Luft abkühlen. Das heiße Fluid kann danach für Prozesse verschiedenster Art in der Industrie weiter verwendet werden. Aktuell ist kein industrieller Hersteller bekannt, welcher einen entsprechenden Wärmeübertrager im Temperaturbereich bis 1000 °C kommerziell anbietet. Vorüberlegungen identifizieren ein Wanderbett, das im Gegenstrom von Luft durchströmt wird, als geeigneten Wärmeübertragermechanismus. Hierfür wird basierend auf Korrelationen für den Druckverlust und den Wärmeübergang in einer Partikelschüttung ein Berechnungsprogramm in Matlab entwickelt. Dieses ist unter anderem in der Lage den Temperaturverlauf der Stoffströme, den Fluiddruckverlust und die übertragbare thermische Leistung zu berechnen. Hierfür wird das Partikelbett über die Strömungslänge diskretisiert. Somit ist für einen vorgegebenen Partikelmassenstrom eine Dimensionierung eines geeigneten Bettes möglich. Anschließend wird durch Erweiterung des Matlabprogamms das dimensionierte Partikelbett im Ströomungsquerschnitt in zwei Teile mit verschiedenen Porositäten aufgeteilt. Aufgrund der unterschiedlichen Lückengrade teilen sich die Luftmassenströme ungleichmäßig in den Betten auf. Das Fluid verteilt sich bei den zwei parallel durchströmten Betten überproportional stark auf die Schüttung mit größerem Hohlraumanteil. Das porösere Bett kühlt sich stark ab, die Luft jedoch kann sich aufgrund des hohen Massenstroms nur relativ schwach erwärmen. Entsprechend andersrum verhält es sich in der Schüttung mit höherer Porosität. Dieser Effekt wird als Durchbläser bezeichnet und bewirkt deutlich niedrigere Austrittstemperaturen der Luft bei entsprechend niedrigen Übertragerleistungen. Anschließend wird das Berechnungsprogramm abermals erweitert. Während der Wärmeübertragung strömt das Fluid mehrmals aus dem Partiklbett. In Luftmischkammern wird die Fluidtemperatur homogenisiert und danach die Luft wieder in das Partikelbett zurück geführt. Durch die mehrmalige Luftmischung während der Wärmeübertragung lassen sich Porositätsinhomogenitäten und der Effekt des Durchbläsers sehr gut dämpfen. Somit sind Luftmassenströme einstellbar, welche eine hohe Austrittstemperatur der Luft bei gleichzeitig hohen Wärmeübertragerleistungen ermöglichen. Die theoretisch gewonnenen Erkenntnisse fließen anschließend bei der Entwicklung und Bewertung verschiedener Wärmeübertragerkonzepte mit ein. Mit Hilfe einer Bewertungsmatrix wird das vielversprechendste Konzept identifiziert und eine erste Grobkonstruktion erstellt. Dieses besteht aus einzelnen Querstromstufen, welche im Gegenstrom mehrmals hintereinander geschaltet sind, mit dazwischenliegenden Luftmischkammern.