Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4420
Main Title: Multi-scale modeling of fixed bed drying of woody fuel particles
Translated Title: Multiskalenmodellierung der Festbetttrocknung von holzartigen Brennstoffpartikeln
Author(s): Jalili, Mehran
Advisor(s): Behrendt, Frank
Referee(s): Bück, Andreas
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Trocknung ist ein unvermeidlicher Prozess vor und während der Energiegewinnung aus festen Brennstoffen wie z.B. holzartigen Brennstoffpartikeln die naturgemäß feucht sind. Die hygroskopische, anisotrope und heterogene Natur des Holzes führt zur Komplexität bei der Beschreibung und Vorhersage dessen Trocknungsverhaltens. Zusätzlich gibt es verschiedene Zeit- und Längenskalen bei der Trocknung von Brennstoffpartikelschüttungen die für eine genaue Simulation dieser komplexen Prozesse berücksichtigt werden müssen. Mittelung oder Vernachlässigung der Wirkung von auftretenden Phänomene in verschiedenen Maßstäben kann dazu führen, dass bemerkenswerte Fehler bei Vorhersage der Trocknungsdynamik dieser Materialien auftreten. In dieser Arbeit wird ein Multiskalen- Ansatz, ein repräsentatives Partikelmodell (RPM), entwickelt, um die Festbetttrocknung der hygroskopischen porösen Brennstoffpartikeln wie Holz sowohl im Partikelmaßstab als auch im Reaktormaßstab zu beschreiben. Darüber hinaus wird auch ein heterogenes quasikontinuierliches Modell (HQCM) entwickelt, um mit dem RPM zu vergleichen und die Vorteile des Multiskalenmodells hervorzuheben. Im Partikelmaßstab wird ein umfassendes Trocknungsmodell entwickelt, um es durch das RPM mit dem Reaktormaßstab zu koppeln. Dieses Teilchenmodell erfasst räumliche und zeitliche Profile der unabhängigen Variablen im Partikelinneren. Das Ergebnis des RPMs für das Partikelinnere und auch das Ergebnis des HQCMs für die feste Phase werden zur Lösung der Zwischenraumgasphase im Reaktormaßstab gekoppelt. Wärme- und Stoffübertragung in der Zwischenraumgasphase werden durch ein Zwischenschritt-Algorithmus (fractional-step algorithm) gelöst. Ein Code mit Parallel-Rechnung (MPI-Ansatz) berechnet die Phänomene im Reaktormaßstab sowohl für das RPM als auch das HQCM. Mehrere Fälle der Festbetttrocknung von Holz- und Braunkohle-Partikel unter unterschiedlichen Bedingungen werden mit diesem Modell simuliert. Die Anwendung iterativer Lösungsverfahren für das Partikelmodell und die Parallel- Rechnung im Reaktormaßstab reduziert die Rechenzeit des Mehrskalenmodells. Es wird gezeigt, dass das RPM in der Lage ist, die Festbetttrocknung hygroskopischer poröser Teilchen richtig zu beschreiben; angemessen genau und rechnerisch effizient.
Drying is an unavoidable process before and during energy harvesting from solid fuels such as woody fuel particles which are naturally wet. Hygroscopic, anisotropic and heterogeneous nature of the wood causes the complexities in describing and predicting its drying behavior. In addition there are different time and length scales in the drying of a pile of fuel particles that must be taken into account for accurate simulation of such a complex process. Averaging or neglecting the effect of phenomena occurring at different scales may lead to remarkable errors in predicting the drying dynamics of these materials. In this work a multi-scale approach, representative particle model (RPM), is developed to describe fixed-bed drying of hygroscopic porous particles such as wood fuel particles, at particle as well as reactor scales. A heterogeneous quasi-continuous model (HQCM) is also developed for comparing with the RPM and highlighting the benefits of this multi-scale model. At the particle scale, a comprehensive drying model is developed for coupling to the reactor scale through the RPM. This particle model captures intra-particle profiles of independent variables spatially and temporally. The intra-particle solution of the RPM and also the solution of solid phase in the HQCM are coupled to the solution of interstitial gas phase at reactor scale via two-way coupling. Heat and mass transfer in the interstitial gas phase are solved by a fractional-step algorithm. A code using parallel computing (MPI approach) is employed for solving the phenomena at reactor scale for both the RPM and the HQCM. Several cases of fixed-bed drying of wood and lignite particles under different circumstances are simulated by these models. Using the iterative solution method for particle model and also the parallel computing at the reactor scale, the computational time of the multi-scale model reduces. It is shown that the RPM is able to describe the fixed-bed drying of hygroscopic porous particles properly; reasonably accurate and computationally efficient.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-65329
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4717
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4420
Exam Date: 31-Mar-2015
Issue Date: 28-Apr-2015
Date Available: 28-Apr-2015
DDC Class: 660 Chemische Verfahrenstechnik
Subject(s): Festbetttrocknung
hygroskopische Brennstoffpartikel
heterogenes quasistetiges Modell
Intra-Partikel Phänomene
Multiskalenmodellierung
Fixed-bed drying
hygroscopic fuel particles
heterogeneous quasi-continuous model
intra-particle phenomena
multi-scale modeling
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/de/
ISBN: 978-3-945682-07-4
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