Discrete Element Simulation and Experimental Validation of Conductive and Convective Heat Transfer in Moving Granular Material
Seiten
2011
|
1., Aufl.
Shaker (Verlag)
978-3-8440-0194-5 (ISBN)
Shaker (Verlag)
978-3-8440-0194-5 (ISBN)
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Zahlreiche Rohstoffe und Zwischenprodukte industrieller Verfahren liegen in granularer Form vor. Da die zugrunde liegenden Verarbeitungsschritte häufig sehr energieintensiv sind, ist eine möglichst effiziente Auslegung zahlreicher Prozesse unter den Gesichtspunkten steigender Energiepreise und verbindlicher CO2-Einsparziele von großer Bedeutung. Zuverlässige Simulationsmethoden können hierbei einen wichtigen Beitrag leisten und mitunter kostspielige und zeitaufwendige Experimente ersetzen.
Für die Simulation bewegter granularer Medien hat sich aufgrund gestiegener Computerleistungen die Diskrete-Elemente-Methode etabliert, bei der die Bewegung und Interaktion eines jeden Partikels des granularen Materials mit den ihm umgebenden Partikeln und Wänden berechnet wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auf dieser Basis mit dem „Radial Temperature Model“ ein Wärmeübertragungsmodell entwickelt und validiert, das die verschiedenen Wärmeübertragungsmechanismen wie Konvektion oder Wärmeleitung auf der Partikelebene erfasst. Besonderen Wert wurde hierbei auf die Wärmeleitung innerhalb der Partikel gelegt, da dies in bisherigen Ansätzen unberücksichtigt blieb, jedoch bei zahlreichen Prozessen das Wärmeübertragungsverhalten maßgeblich beeinflussen kann. Da granulare Medien in praktischen Anwendungen häufig von einem Fluid durchströmt werden, wurde die um die Wärmübertragung erweiterte Diskrete-Elemente-Methode (DEM) mit einer Strömungssimulationssoftware (CFD) gekoppelt. Damit liegt ein vollständiges System vor, dass es ermöglicht, verschiedenste Prozesse wie das Aufheizen durch einen heißen Luftstrom oder simulieren zu können.
Neben der Entwicklung und der Implementierung des Wärmeübertragungsmodells war dessen Validierung ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit. Hierfür wurde eine Versuchsanlage konzipiert, die ein Aufheizen einer bewegten monodispersen Kugelschüttung durch einen Luftstrom ermöglicht. Die Durchmischung der Kugeln erfolgte dabei ähnlich zu industriellen Rostsystemen durch das Auf- und Abbewegen von Stäben. Mit einem Thermografiesystem und einer Videokamera konnten Temperaturen und Partikelpositionen synchron erfasst und weiterverarbeitet werden, so dass partikelbasierte Oberflächentemperaturen für einen Vergleich mit den Simulationen zur Verfügung standen.
Um die DEM/CFD Simulationen dahin gehend zu bewerten, ob der Einfluss der Partikelbewegung auf die Temperaturverteilung korrekt wiedergegeben wird, sind unterschiedliche Bewegungsprofile sowie verschiedene Hublängen simuliert und experimentell untersucht worden. Anhand der sehr guten Übereinstimmung der gemessenen und berechneten Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass die entwickelte Simulationsmethodik in der Lage ist, das Wärmeübertragungsverhalten in bewegten granularen Materialien zuverlässig wiederzugeben.
Für die Simulation bewegter granularer Medien hat sich aufgrund gestiegener Computerleistungen die Diskrete-Elemente-Methode etabliert, bei der die Bewegung und Interaktion eines jeden Partikels des granularen Materials mit den ihm umgebenden Partikeln und Wänden berechnet wird. Im Rahmen dieser Arbeit wurde auf dieser Basis mit dem „Radial Temperature Model“ ein Wärmeübertragungsmodell entwickelt und validiert, das die verschiedenen Wärmeübertragungsmechanismen wie Konvektion oder Wärmeleitung auf der Partikelebene erfasst. Besonderen Wert wurde hierbei auf die Wärmeleitung innerhalb der Partikel gelegt, da dies in bisherigen Ansätzen unberücksichtigt blieb, jedoch bei zahlreichen Prozessen das Wärmeübertragungsverhalten maßgeblich beeinflussen kann. Da granulare Medien in praktischen Anwendungen häufig von einem Fluid durchströmt werden, wurde die um die Wärmübertragung erweiterte Diskrete-Elemente-Methode (DEM) mit einer Strömungssimulationssoftware (CFD) gekoppelt. Damit liegt ein vollständiges System vor, dass es ermöglicht, verschiedenste Prozesse wie das Aufheizen durch einen heißen Luftstrom oder simulieren zu können.
Neben der Entwicklung und der Implementierung des Wärmeübertragungsmodells war dessen Validierung ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit. Hierfür wurde eine Versuchsanlage konzipiert, die ein Aufheizen einer bewegten monodispersen Kugelschüttung durch einen Luftstrom ermöglicht. Die Durchmischung der Kugeln erfolgte dabei ähnlich zu industriellen Rostsystemen durch das Auf- und Abbewegen von Stäben. Mit einem Thermografiesystem und einer Videokamera konnten Temperaturen und Partikelpositionen synchron erfasst und weiterverarbeitet werden, so dass partikelbasierte Oberflächentemperaturen für einen Vergleich mit den Simulationen zur Verfügung standen.
Um die DEM/CFD Simulationen dahin gehend zu bewerten, ob der Einfluss der Partikelbewegung auf die Temperaturverteilung korrekt wiedergegeben wird, sind unterschiedliche Bewegungsprofile sowie verschiedene Hublängen simuliert und experimentell untersucht worden. Anhand der sehr guten Übereinstimmung der gemessenen und berechneten Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass die entwickelte Simulationsmethodik in der Lage ist, das Wärmeübertragungsverhalten in bewegten granularen Materialien zuverlässig wiederzugeben.
| Erscheint lt. Verlag | 9.8.2011 |
|---|---|
| Reihe/Serie | Berichte aus der Energietechnik |
| Sprache | englisch |
| Maße | 148 x 210 mm |
| Gewicht | 260 g |
| Einbandart | Paperback |
| Themenwelt | Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie ► Festkörperphysik |
| Technik ► Elektrotechnik / Energietechnik | |
| Schlagworte | Discrete Element Simulation • Experimental validation • Granular Media • heat transfer |
| ISBN-10 | 3-8440-0194-8 / 3844001948 |
| ISBN-13 | 978-3-8440-0194-5 / 9783844001945 |
| Zustand | Neuware |
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