Numerische und experimentelle Untersuchung des Druckabfalls um Zylinder im Festbett
- Titel
- Numerische und experimentelle Untersuchung des Druckabfalls um Zylinder im Festbett
- Autor/in
- Datierung
- 09.01.2021
- Beschreibung
- Die zunehmende Produktion von variablen erneuerbaren Energien erfordert die Integration von kompakten
thermischen Speichersystemen. Eine beliebte Option mit geringem Platzbedarf und hoher Kapazität sind
Latentwärmespeicher. Ihre hohe volumenspezifische Wärmekapazität wird durch die Verwendung von
Phasenwechselmaterialien (PCMs) als Speichermaterial erreicht. Es gibt verschiedene Bauformen für
Latentwärmespeicher, wie z. B. Direktkontakt [1], Wärmetauscher [2] oder makroverkapseltes PCM [3]. Für
letzteres ist eine geeignete Kapselgeometrie entscheidend für die Eigenschaften des Speichersystems.
In dieser Arbeit wird der Einfluss der Kapselgeometrie auf den Druckabfall durch analytische, numerische
und experimentelle Verfahren untersucht. Ziel ist es, ein numerisches Verfahren zu finden, mit welchem der
Druckverlust über verschiedene Festbettkonfigurationen bestimmt werden kann. Dazu wurden zwei
Festbettkonfigurationen, bestehend aus Zylindern mit jeweils unterschiedlichen Höhen-zu-Durchmesser-
Verhältnissen, h/d = 1 und h/d = 2.5 erstellt. Für numerische Simulationen wurden die Festbetten durch CTScans
mit dem CT-System d2 von Diondo digitalisiert. Zusätzlich wurden Festbetten mit identischen
Parametern in der 3D-Grafiksuite Blender erstellt.
Zuerst wurde der Druckgradient mit der Ergun-Gleichung berechnet. Für die Strömungssimulation wurden
die drei Programme VGSTUDIO, GeoDict und coupledNumerics verwendet. VGSTUDIO und GeoDict
benötigen als Geometrie-Input nur eine STL-Datei. Für die Simulation in coupledNumerics muss zuerst ein
Netz erstellt werden. Für die Netzgenerierung wurde, der in OpenFOAM enthaltene Netzgenerator,
snappyHexMesh verwendet.
Für die Validierung der Resultate von der Ergun-Gleichung und den Strömungssimulationen wurden
Experimente durchgeführt. Der dafür erstellte Experimentaufbau ist so konzipiert, dass Festbetten mit
verschiedenen Höhen aufgenommen und auf dem CT-System vermessen werden können. Der Vergleich zeigt eine Diskrepanz zwischen den Resultaten der Ergun-Gleichung und des Experiments.
Die Resultate von VGSTUDIO und GeoDict zeigen, dass ein anderer Solver benutzt werden muss, um
repräsentative Ergebnisse zu bekommen. CoupledNumerics liefert von allen numerischen Methoden die
plausibelsten Resultate. Allerdings sollte die Netzgenerierung optimiert werden.
Diese Arbeit zeigt, dass eine Simulation der Strömung durch ein Festbett aufgrund der komplexen Geometrie
grosse Schwierigkeiten mit sich bringt. Für zukünftige Arbeiten sollte die Verwendung von coupledNumerics
weiterverfolgt werden.
The increasing production of variable renewable energies necessitates the integration of compact thermal
storage systems. A popular option with a small footprint and high capacity are latent heat storage systems.
Their high volume-specific heat capacity comes from the utilization of phase change materials (PCMs) as the
storage material. There are several designs for latent heat storage systems, such as direct contact [1], heat
exchanger [2] or (macro-) encapsulated PCM [3], etc. When operating the latter, a suitable capsule geometry
is critical for the performance of the storage system.
In this study, the influence of the capsule geometry on the pressure drop is investigated by analytical,
numerical and experimental methods. The aim is to find a numerical method with which the pressure drop
can be determined over different packed-bed configurations. For this purpose, two packed-bed configurations
consisting of cylinders with different height-to-diameter ratios, h/d = 1 and h/d = 2.5, were created. For
numerical simulations, the fixed beds were digitised by CT scans with the CT system d2 from Diondo.
Additionally, fixed beds with identical parameters were created in the 3D graphic suite Blender.
First, the pressure gradient was calculated using the Ergun equation. For the flow simulation, the three
programmes VGSTUDIO, GeoDict and coupledNumerics were used. VGSTUDIO and GeoDict only require
an STL file as geometry input. For the simulation in coupledNumerics, a mesh must first be created. For the
mesh generation, the mesh generator snappyHexMesh, which is included in OpenFOAM, was used.
Experiments were carried out to validate the results of the Ergun equation and the flow simulations. The
experimental setup created for this purpose is designed in such a way that packed beds with different heights
can be used for experiments and measured on the CT system.
The comparison shows a discrepancy between the results of the Ergun equation and the experiment. The
results of VGSTUDIO and GeoDict show that a different solver must be used to get representative results.
CoupledNumerics provides the most plausible results of all numerical methods. However, the mesh
generation should be optimised.
This work shows that a simulation of the flow through a packed bed presents great difficulties due to the
complex geometry. For future work, the use of coupledNumerics should be pursued.
- Die zunehmende Produktion von variablen erneuerbaren Energien erfordert die Integration von kompakten
- Urheberrechtshinweis
- Fenk Benjamin, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
HSLU
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
Werk
- Titel
- Numerische und experimentelle Untersuchung des Druckabfalls um Zylinder im Festbett
- Beschreibung
- Die zunehmende Produktion von variablen erneuerbaren Energien erfordert die Integration von kompakten
thermischen Speichersystemen. Eine beliebte Option mit geringem Platzbedarf und hoher Kapazität sind
Latentwärmespeicher. Ihre hohe volumenspezifische Wärmekapazität wird durch die Verwendung von
Phasenwechselmaterialien (PCMs) als Speichermaterial erreicht. Es gibt verschiedene Bauformen für
Latentwärmespeicher, wie z. B. Direktkontakt [1], Wärmetauscher [2] oder makroverkapseltes PCM [3]. Für
letzteres ist eine geeignete Kapselgeometrie entscheidend für die Eigenschaften des Speichersystems.
In dieser Arbeit wird der Einfluss der Kapselgeometrie auf den Druckabfall durch analytische, numerische
und experimentelle Verfahren untersucht. Ziel ist es, ein numerisches Verfahren zu finden, mit welchem der
Druckverlust über verschiedene Festbettkonfigurationen bestimmt werden kann. Dazu wurden zwei
Festbettkonfigurationen, bestehend aus Zylindern mit jeweils unterschiedlichen Höhen-zu-Durchmesser-
Verhältnissen, h/d = 1 und h/d = 2.5 erstellt. Für numerische Simulationen wurden die Festbetten durch CTScans
mit dem CT-System d2 von Diondo digitalisiert. Zusätzlich wurden Festbetten mit identischen
Parametern in der 3D-Grafiksuite Blender erstellt.
Zuerst wurde der Druckgradient mit der Ergun-Gleichung berechnet. Für die Strömungssimulation wurden
die drei Programme VGSTUDIO, GeoDict und coupledNumerics verwendet. VGSTUDIO und GeoDict
benötigen als Geometrie-Input nur eine STL-Datei. Für die Simulation in coupledNumerics muss zuerst ein
Netz erstellt werden. Für die Netzgenerierung wurde, der in OpenFOAM enthaltene Netzgenerator,
snappyHexMesh verwendet.
Für die Validierung der Resultate von der Ergun-Gleichung und den Strömungssimulationen wurden
Experimente durchgeführt. Der dafür erstellte Experimentaufbau ist so konzipiert, dass Festbetten mit
verschiedenen Höhen aufgenommen und auf dem CT-System vermessen werden können. Der Vergleich zeigt eine Diskrepanz zwischen den Resultaten der Ergun-Gleichung und des Experiments.
Die Resultate von VGSTUDIO und GeoDict zeigen, dass ein anderer Solver benutzt werden muss, um
repräsentative Ergebnisse zu bekommen. CoupledNumerics liefert von allen numerischen Methoden die
plausibelsten Resultate. Allerdings sollte die Netzgenerierung optimiert werden.
Diese Arbeit zeigt, dass eine Simulation der Strömung durch ein Festbett aufgrund der komplexen Geometrie
grosse Schwierigkeiten mit sich bringt. Für zukünftige Arbeiten sollte die Verwendung von coupledNumerics
weiterverfolgt werden.
The increasing production of variable renewable energies necessitates the integration of compact thermal
storage systems. A popular option with a small footprint and high capacity are latent heat storage systems.
Their high volume-specific heat capacity comes from the utilization of phase change materials (PCMs) as the
storage material. There are several designs for latent heat storage systems, such as direct contact [1], heat
exchanger [2] or (macro-) encapsulated PCM [3], etc. When operating the latter, a suitable capsule geometry
is critical for the performance of the storage system.
In this study, the influence of the capsule geometry on the pressure drop is investigated by analytical,
numerical and experimental methods. The aim is to find a numerical method with which the pressure drop
can be determined over different packed-bed configurations. For this purpose, two packed-bed configurations
consisting of cylinders with different height-to-diameter ratios, h/d = 1 and h/d = 2.5, were created. For
numerical simulations, the fixed beds were digitised by CT scans with the CT system d2 from Diondo.
Additionally, fixed beds with identical parameters were created in the 3D graphic suite Blender.
First, the pressure gradient was calculated using the Ergun equation. For the flow simulation, the three
programmes VGSTUDIO, GeoDict and coupledNumerics were used. VGSTUDIO and GeoDict only require
an STL file as geometry input. For the simulation in coupledNumerics, a mesh must first be created. For the
mesh generation, the mesh generator snappyHexMesh, which is included in OpenFOAM, was used.
Experiments were carried out to validate the results of the Ergun equation and the flow simulations. The
experimental setup created for this purpose is designed in such a way that packed beds with different heights
can be used for experiments and measured on the CT system.
The comparison shows a discrepancy between the results of the Ergun equation and the experiment. The
results of VGSTUDIO and GeoDict show that a different solver must be used to get representative results.
CoupledNumerics provides the most plausible results of all numerical methods. However, the mesh
generation should be optimised.
This work shows that a simulation of the flow through a packed bed presents great difficulties due to the
complex geometry. For future work, the use of coupledNumerics should be pursued.
- Die zunehmende Produktion von variablen erneuerbaren Energien erfordert die Integration von kompakten
- Autor/in
- Externe Praxispartner
- Cowa Thermal Solutions AG,
Root D4
- Cowa Thermal Solutions AG,
- Datierung
- 09.01.2021
- Format
- 39 Seiten
- Ort
- Sprache
Rechte
- Urheberrecht
- Fenk Benjamin, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Hinweis zu Rechtsgrundlagen
- Lizenzierung
- Klassifikation