Analyse der transversalen Partikelbewegung und des Wärmeübergangs in Drehrohren mit Hubschaufeln

Abstract

In dieser Arbeit werden die transversale Partikelbewegung sowie der Wärmeübergang in Drehrohren mit Hubschaufeln untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wird die transver-sale Partikelbewegung in einer Drehtrommel (D = 500 mm, L = 150 mm) mit Hub-schaufeln analysiert. Videos der Partikelbewegung in der Drehtrommel werden in Ein-zelbilder umgewandelt und ausgewertet. Damit lassen sich die für den Wärmeüber-gang relevanten Flächen bestimmen, wobei dafür drei Ansätze definiert werden: die innere Oberfläche des Partikelschleiers unter der Annahme einzelner Kugeln sowie zwei äußere Oberflächen des Partikelschleiers unter der Annahme einer Platte mit je-weils unterschiedlicher Definition der Oberflächenbeschaffenheit (glatt bzw. mit Kugeln an der Oberfläche). Im zweiten Teil der Arbeit wird der Kontaktwärmeübergang in einem beschaufelten Drehrohr (D = 0,5 m, L = 1,76 m) ohne Neigung zur Horizontalen im Batch-Modus un-tersucht. Während des instationären Aufheizens werden die Temperaturen der Dreh-rohr- und Hubschaufelwand, des Schüttguts und der Gasphase mittels Typ K-Thermo-elementen in verschiedenen radialen und axialen Positionen sowie kontinuierlich über den gesamten Umfang gemessen. Mit Hilfe der zeitlichen Temperaturverläufe und der im ersten Teil der Arbeit bestimmten Wärmeübergangsflächen werden Energiebilan-zen aufgestellt, aus denen sich die Kontaktwärmeübergangskoeffizienten ergeben. Aus der Literatur ist ein Modell für den Kontaktwärmeübergang in Drehrohren ohne Hubschaufeln bekannt. Ein Abgleich der Modellwerte mit den Experimentalwerten zeigt gute Übereinstimmung und, dass das Modell auch Anwendung in Drehrohren mit Hubschaufeln finden kann. Der konvektive Wärmeübergang am Partikelschleier wird im dritten Teil der Arbeit the-matisiert und in der oben erwähnten Pilotanlage analysiert. Das aufgeheizte System wird im Batch-Modus von angesaugter Umgebungsluft durchströmt. Während des in-stationären Abkühlens werden die zeitlichen Temperaturverläufe bei Variation der Be-triebsparameter (Drehzahl, Füllungsgrad, Volumenstrom), der Hubschaufeldesignpa-rameter (Hubschaufel-Längenverhältnis, Hubschaufelanzahl) sowie der Materialparameter (Partikeldurchmesser, Wärmeeindringkoeffizient) gemessen. Bei der Bilanzie-rung der Wärmeströme werden für den konvektiven Wärmeübergang am Partikel-schleier drei Ansätze unterschieden. Nach dem ersten Ansatz werden die Partikel-schleier durchströmt und jedes Partikel ist in Kontakt mit dem Gas. Dies wird als Wär-meübergang an überströmten Einzelkugeln angesehen. Die Ansätze zwei und drei ge-hen von einem außen umströmten Partikelschleier aus, der als überströmte Platte be-trachtet wird. Die beiden Ansätze unterschieden sich in der Annahme von glatter bzw. mit Kugeln besetzter Plattenoberfläche. Der konvektive Wärmeübergangskoeffizient ist jedoch vom gewählten Ansatz hinsichtlich der Wärmeübergangsfläche abhängig. Das Modell der umströmten Kugel ist für einige Fälle in guter Übereinstimmung mit den Messwerten, jedoch nur bei großen Partikeldurchmessern. Auch das Modell der überströmten Platte ist nicht in ausreichender Übereinstimmung mit allen Messwerten. Das liegt darin begründet, dass in beiden Modellen außer dem Volumenstrom und dem Partikeldurchmesser keine weiteren Parameterabhängigkeiten enthalten sind. Um alle untersuchten Parametereinflüsse auf den konvektiven Wärmeübergang am Partikel-schleier abbilden zu können, wird eine parametrische Regressionsanalyse durchge-führt. Daraus wird ein mathematisches Modell mit guter Korrelation zu den Messwerten entwickelt und vorgestellt.

In this work, the transverse particle motion as well as the heat transfer in rotary drums with flights are investigated. In the first part of the work, the transverse particle motion in a rotary drum (D = 500 mm, L = 150 mm) with flights is analyzed. Videos of the par-ticle motion in the rotary drum are converted into single images and evaluated. This allows the surfaces relevant for heat transfer to be determined. Three approaches are defined for this purpose: the inner surface of the particle curtain assuming individual spheres, and two outer surfaces of the particle curtain assuming a plate, each with a different definition of the surface properties (smooth or with spheres on the surface). In the second part of the work, the contact heat transfer in a flighted rotary drum (D = 0.5 m, L = 1.76 m) without inclination to the horizontal is investigated in batch mode. During transient heating, the temperatures of the rotary drum and flight wall, the bulk material and the gas phase are measured by means of type K thermocouples in different radial and axial positions and continuously over the entire circumference. U-sing the temperature profiles over time and the heat transfer areas determined in the first part of the paper, energy balances are established, from which the contact heat transfer coefficients are obtained. A model for contact heat transfer in rotary drums without flights is known from the literature. A comparison of the model values with the experimental values shows good agreement and that the model can also be applied in rotary kilns with flights. The convective heat transfer at the particle curtain is addressed in the third part of the paper and analysed in the pilot plant mentioned above. The heated system is flown through in batch mode by ambient air drawn in. During transient cooling, the tempera-ture curves over time are determined while varying the operating parameters (rotatio-nal speed, filling degree, volumetric flow rate), the flight design parameters (flight length ratio, number of flights), and the material parameters (particle diameter, heat penetration coefficient). When balancing the heat flows, three approaches are distin-guished for convective heat transfer at the particle curtain. According to the first ap-proach, the particle curtains are flowed through and each particle is in contact with the gas. This is considered as heat transfer at single spheres flowed over. Approaches two and three assume an externally flowed particle curtain, which is considered as a flo-wed-over plate. The two approaches differed in the assumption of smooth and spheri-cal plate surfaces, respectively. However, the convective heat transfer coefficient de-pends on the chosen approach in terms of heat transfer area. The overflowed sphere model is in good agreement with the measured values for some cases, but only for large particle diameters. The model of the overflowed plate is also not in sufficient agreement with all measured values. This is due to the fact that in both models, apart from the volumetric flow rate and the particle diameter, no other parameter dependen-cies are included. In order to be able to represent all investigated parameter influences on the convective heat transfer at the particle curtain, a parametric regression analysis is performed. From this, a mathematical model with good correlation to the measured values is developed and presented.