Charakterisierung der Mischungs- und Segregationsvorgänge in Modellwirbelschichten mit mono- und bidispersen sphärischen Partikelsystemen

Partikelsysteme, die durch eine aufwärtsgerichtete Strömung entgegen der Erdbeschleunigung eine Bewegung erfahren, werden als Wirbelschichten bezeichnet. In Wirbelschichten kann infolge der resultierenden intensiven Bewegung der Partikel eine nahezu homogene und gleichmäßige Wärme- und Stoffübertragung erreicht werden. Aufgrund dieser Charakteristik finden Wirbelschichten breite Anwendung in der Energie- und Verfahrenstechnik. Der Hintergrund der Untersuchungen in dieser Arbeit sind zwei konkrete Anwendungsbeispiele der Energietechnik - Wirbelschichtfeuerungen und Separationsprozesse. In Wirbelschichtfeuerungen wird ein Gemisch aus Brennstoff und Bettmaterial einer fluidisierten Wirbelschicht kontinuierlich zugeführt. Um in der Wirbelschicht einen gleichmäßigen Abbrand zu erzielen, ist es wichtig, dass sich der Brennstoff und das Bettmaterial homogen in der Wirbelschicht verteilen. In Separationsprozessen können in einer Wirbelschicht Abfälle in Fraktionen aufgeteilt werden. So können z. B. leichte Fraktionen bei entsprechender Fluidgeschwindigkeit vom Abfallgemisch getrennt werden und als Fluff (flugfähige Trennfraktion) gewonnen werden. Dies ist eine wichtige Technologie, da die Vorräte fossiler Brennstoffe immer geringer werden. In beiden betrachteten Fällen - Wirbelschichtfeuerung und Separation - ist die örtliche Verteilung der Partikel im System für den Prozess entscheidend. Um die Vorgänge besser verstehen und optimieren zu können, müssen die physikalischen Vorgänge analysiert werden. Untersuchungen in realen Systemen sind meist kostenintensiv und schwer durchführbar. Aus diesem Grund bieten sich Simulationsmethoden an, um das Systemverhalten von Mischungs- und Segregationsvorgängen in Wirbelschichten detaillierter zu analysieren und zu quantifizieren, ohne die Partikelbewegung und Fluidströmung zu beeinflussen. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Partikel mit kugelförmigen Modellkörpern, für die die physikalischen Eigenschaften bekannt sind, approximiert. Zur Beschreibung einer Wirbelschicht wird in dieser Arbeit eine Euler-Lagrange-Methode betrachtet. Als Euler-Lagrange-Methode wird die Diskrete Elemente Methode (DEM) mit einer numerischen Strömungssimulation (CFD) gekoppelt. Die Interaktionen der Partikel mit dem Fluid müssen dazu geeignet abgebildet werden. Durch die diskrete Betrachtungsweise der Partikel in der Euler-Lagrange-Methode konnte das Mischungs- und Segregationsverhalten in den experimentellen Untersuchungen gut wiedergegeben werden.