Värmeöverföring mellan två zoner i en bubblande fluidiserad bädd

Abstract

In this Master's thesis, the heat transfer between two zones in a bubbling fluidized bed and the resultant temperature field were examined using a laminar Eulerian-Eulerian two-fluid model in computational fluid dynamics. The purpose was to estimate the thermal potential to multi-stage a combined heat and power boiler by integration therein of a communicating gasification reactor, which utilizes heat from the combustion, and to analyze how different construction parameters influence the homogeneity of the gas temperature field. The virtual set-up consisted of a reactor zone, partially separated from a combustion zone by an impermeable wall, leaving a gap below the wall through which heat could be transferred from the combustion zone to the reactor zone, mostly by means of particulate transport.

Effects on the gas temperature field from all combinations of two different gap heights and two different separating wall thicknesses, i.e. four subcases, were investigated. Excluding the region within two decimeters of the Dirichlet boundaries, the maximum temperature differences in the symmetry plane of the domains were found to be less than 15°C for all four subcases. The smallest such maximum temperature difference was obtained in the subcase where the gap height was 450 mm and the separating wall thickness was 20 mm, below 9°C.

Abstract (Swedish)

I detta examensarbete granskades värmeöverföringen mellan två zoner i en bubblande fluidiserad bädd och det resulterande temperaturfältet med numeriska strömningsberäkningar av en laminär Euler-Euler-tvåfluidbeskrivning. Syftet var att uppskatta den termiska potentialen att flerstega en kraftvärmepanna genom integrering av en kommunicerande förgasningsreaktor som utnyttjar värme från förbränningen och att analysera hur olika konstruktionsparametrar påverkar gastemperaturfältets homogenitet. Den virtuella uppställningen utgjordes av en reaktorzon, delvis avskild från en förbränningszon med en impermeabel vägg, där en öppning under väggen möjliggjorde partikeltransport och värmeöverföring från förbränningszonen till reaktorzonen.

Följder på gastemperaturfältet från alla kombinationer av två olika öppningshöjder och två olika skiljeväggtjocklekar, d.v.s. fyra delfall, undersöktes. Exklusive områden två decimeter från Dirichletränderna, observerades maximala temperaturdifferenser i domänens symmetriplan om mindre än 15°C för alla fyra delfall. Den minsta sådan maximal temperaturdifferens erhölls för delfallet där öppningshöjden var 450 mm och skiljeväggtjockleken var 20 mm, under 9°C.

Popular Abstract (Swedish)

De samhälleliga påtryckningarna att hitta alternativ till traditionella fossila bränslen och kemikalier blir större och större. Ett skifte till förnybara källor är dock utmanande både ur tekniska och ekonomiska perpektiv. Att bygga och driva självständiga anläggningar på förnybara grunder visar sig ofta för dyrt, då energi- och råvarukonsumtionen blir för stor i förhållande till mängden produkt som fås ut. Ett sätt att lösa detta på kan vara att integrera förnybar bränsleproduktion i andra anläggningar som redan är i drift, som t.ex. att utnyttja värme från fluidiserade bäddar i kraftvärmepannor.

I fluidiserade bäddar blåses (vanligtvis) luft vertikalt genom en bädd av partiklar, och partiklarna beter sig då med tillräcklig lufthastighet ungefär som en gas. Med inloppshatigheter runt 1 m/s är bädden bubblande, d.v.s. toppen lyfter lite från sin ursprungliga höjd och bädden ligger och bubblar. I förbränningsapplikationer av fluidiserade bäddar, som i Sverige ofta matas med träbränslen, frigörs stora mängder värme. Tekniken har mycket effektiv mass- och värmeöverföring, vilket lämpar sig alldeles utmärkt för integration av en närliggande, värmekrävande kemisk reaktor ("zon B"). Denna sidoreaktor kan blåsas med en annan gas än luft, typiskt vattenånga, och då kan andra gasprodukter erhållas i toppen av reaktorn än bara vatten och koldioxid som bildas i den vanliga kraftvärmepannan ("zon A"). Eftersom fullständig förbränning inte sker i zon B bildas så kallad syngas som består bl.a. av höga halter vätgas och kolmonoxid. Syngas passar sig bra för att kemiskt processas vidare till olika typer av flytande och gasformiga produkter.

För att produkterna från zon B ska kunna avskiljas på ett önskvärt sätt krävs en skiljevägg som separerar den från den ursprungliga zon A. Den allra största delen av värmen kan dock bara överföras om det är öppet för rörelser horisontellt i bädden mellan zon A och zon B. Därför måste en avvägning göras hur långt ner skiljeväggen kan gå. I studien undersöktes hur två olika väggtjocklekar och två olika öppningshöjder påverkade temperaturen i de två zonerna, närmare bestämt hur jämnt fördelad temperaturen var. Med teori och antaganden kring flödessituationen utfördes numeriska beräkningar i datorer med så kallade CFD-simuleringar (Computational Fluid Dynamics). Det visade sig att temperaturen, som förmodat med den effektiva värmeöverföringen i fluidiserade bäddar, blev jämn med mindre än 15°C maximal temperaturskillnad i merparten av det aktuella området för alla simulerade delfall.

• author: Stigsson, Christian
• supervisor: Carl Christian Stigsson
• organization: Department of Energy Sciences
• alternative title: Heat transfer between two zones in a bubbling fluidized bed
• course: MVKM01 20181
• year: 2018
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Heat transfer, fluidized beds, multi-staging, Eulerian-Eulerian two-fluid
• report number: LUTMDN/TMHP-18/5420SE
• ISSN: 0282-1990
• language: Swedish
• id: 8952105
• date added to LUP: 2018-06-21 11:51:11
• date last changed: 2018-06-21 11:51:11