Wärmeübergang an Glattrohren und Rippenrohren in einer horizontal durchströmten Wirbelschicht

Abstract

Diese Arbeit umfasst experimentelle Untersuchungen zur Verbesserung einer am Institut für Energietechnik und Thermodynamik der TU Wien entwickelten Speichertechnologie. Das damit verbundene Forschungsprojekt sandTES beschäftigt sich mit der Speicherung von thermischer Energie im industriellen Bereich. Dafür wurden Wärmespeicher und Wärmetauscher im Zusammenhang mit der Wirbelschichttechnologie entwickelt. Das Ziel dieser wissenschaftlichen Arbeit ist das Optimieren von Wärmetauschern bzw. Wärmespeichern. Insbesondere werden dabei spezifisch für das Forschungsprojekt sandTES Weiterentwicklungen experimentell sowie wissenschaftlich erarbeitet. Die Kernaufgabe besteht darin, den Wärmeübergang von Rohren in einer thermischen Wirbelschicht zu optimieren. Wirbelschichten weisen zwar sehr gute Werte für Wärmeübergangskoeffizenten auf, für das Erreichen dieser, muss jedoch Energie zugeführt werden. Die Herausforderung besteht dabei mit möglichst geringem energetischen Aufwand, höchste Wärmeübergangszahlen zu erreichen. Untersucht wird vor allem der Einfluss verschiedener Rohranordnungen und Rohrtypen - Glattrohre/Rippenrohre, um für die geforderten Rahmenbedingungen eine optimale Lösung zu finden. Die Durchführung der Untersuchungen findet mit einer Wirbelschichtversuchsanlage statt. Das Prinzip zur Ermittlung der Ergebnisse hinsichtlich des Wärmeüberganges erfolgt anhand der Erstellung von Messkurven. Diese Messkurven visualisieren den Verlauf des Wärmeübergangskoeffizienten in Abhängigkeit des Fluidisierungsgrades der Wirbelschicht. Die Ergebnisse der einzelnen Untersuchungen können in Form der Wärmeübergangsverläufe direkt miteinander verglichen und diskutiert werden. Als wesentliche Aussage dieser Arbeit kann man bezogen auf diese Untersuchung hervorbringen, dass Glattrohre hinsichtlich des Wärmeüberganges bessere Werte als Rippenrohre liefern, jedoch die Wärmeleistung von Rippenrohren überwiegt und somit Rippenrohre ganzheitlich betrachtet, effizienter sind. Über den Einfluss der Rohranordnung kann keine verallgemeinerte Aussage getroffen werden, da sich die Rohranordnung je nach Rohrtyp und Fluidisierungszustand unterschiedlich auswirkt und die Ergebnisse hinsichtlich technischer Anforderung anders interpretiert werden können. Die Schwierigkeit dieser Untersuchung besteht an der Diversität der Aufgaben und des experimentellen Hintergrunds. Wesentlicher Teil davon war die Festlegung eines für die vorherrschenden Bedingungen optimalen Messkonzepts, sowie die damit verbundenen Konstruktionen und die Messdurchführung samt wiederkehrender Herausforderungen.

This Masters Thesis presents experimental investigations conducted for further improvement of a thermal energy storage system developed at the Institute for Energy Systems and Thermodynamics at Vienna University of Technology, Austria. Within the framework of the research project sandTES, which deals with the storage of thermal energy in the industrial sector, various fluidized bed based thermal storage systems and heat exchangers have been developed, which should be improved. The overall goal of this thesis is the optimization of heat exchangers and thermal storage systems, respectively. In particular, further refinements and improvements of the experimental test setup of the sandTES storage system are made. The main focus is on the optimization of the heat transfer of tubes in the fluidized bed. Although fluidized beds feature excellent heat transfer coefficients, auxiliary energy has to be supplied for their operation. The key challenge faced is increasing the heat transfer coefficients while at the same time reducing the amount of energy supplied to the fluidized bed. The influence of different tube arrangements and tube types, such as plain tubes and finned tubes, are investigated to find the optimal solution for the predefined requirements. A fluidized bed reactor is used for the investigations and the experimental results are generated by means of measured heat transfer characteristics. Said characteristics exhibit the heat transfer coefficient as a function of the state of the fluidized bed, facilitating the analysis and comparison of different investigations conducted in this thesis. The findings show that plain tubes feature higher heat transfer coefficients than finned tubes. However, plain tubes are outperformed by finned tubes with respect to thermal output, making the latter holistically more efficient. A generalization concerning the impacts of different tube arrangements could not be made. In fact, it is found that the effect of the utilized tube arrangement strongly depends on both the tube type and fluidization state. In addition, contingent upon technical specifications, the results can be interpreted differently. The main challenges of this investigation include the diversity of tasks and the experimental realization. Central to this thesis is finding an adequate measuring concept to cope with the prevalent circumstances including the challenges faced during construction and operation of the improved test setup.