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Development of a gas-particle direct-contact trickle-flow heat-exchanger for application in concentrating solar tower systems = Entwicklung eines Gas-Partikel Direktkontakt Riesel-Wärmeübertragers für die Anwendung in konzentrierenden Solarturmsystemen
2025 & 2026
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-12-03
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10780
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1023839/files/1023839.pdf
Einrichtungen
Projekte
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CST (frei) ; concentrated solar thermal (frei) ; direct contact heat exchanger (frei) ; packing geometry (frei) ; packing structure (frei) ; particle air heat exchanger (frei) ; particle hydrodynamics (frei) ; trickle flow heat exchanger (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Keramische Bauxitpartikel sind ein vielversprechendes, alternatives Wärmeträger- und Speichermedium in konzentrierenden Solarturmsystemen. Das sandähnliche Granulat wird in Solarturm-Receivern auf bis zu 1.000 °C erhitzt. Die gespeicherte Wärme kann in einem Riesel-Wärmeübertrager (engl. trickle-flow heat exchanger, TFHX) an ein Arbeitsgas wieder abgegeben werden. Im Vergleich zu state-of-the-art-Technologien wie Wirbelschicht- oder Zyklon-Wärmeübertragern, bietet der Riesel-Wärmeübertrager den Kompromiss einer relativ hohen Leistungsdichte bei vergleichsweise geringem Druckverlust, was ihn für den Einsatz in Solarturm-System interessant macht. In der Literatur sind bisher keine Auslegungsempfehlungen bekannt, welche für einen gegebenen Partikeltyp die geeignete Füllkörperkolonne identifizieren, mit dem Ziel einer hohen Gas-Partikel-Interaktion. Es wird erwartet dies durch eine hohe Gesamtpartikeloberfläche der rieselnden Partikel zu erreichen, welche gleichmäßig im Packungshohlraum verteilt sind. Deshalb wurde in der vorliegenden Arbeit ein Gas-Partikel-Direktkontakt-Rieselwärmetauscher für den angestrebten Einsatz in partikelbasierten Solarturmsystem entwickelt. Basierend auf Beobachtungen in der Literatur wurden verschiedene Packungsstrukturen designt und nummerisch untersucht. In den DEM-Simulationen wurde die dimensionslose Gesamtpartikeloberfläche bzw. der Partikel hold-up, sowie die räumliche Partikelverteilung für die Analyse der rieselnden Partikel in den unterschiedlichen Kolonnen gewählt. Es wurde festgestellt, dass für die verwendeten 1 mm Bauxitpartikel, Packungsstrukturen aus Stangenprofilen mit ebener Oberfläche einen hohen Partikel hold up sowie eine gleichmäßige räumliche Verteilung des rieselnden Granulats bieten. In einem Testaufbau wurde die Packungsgeometrie unter Umgebungsbedingungen weiter verfeinert. Während der Kaltexperimente wurde festgestellt, dass eine Mindeststangenbreite es den Partikeln ermöglicht sich zu Granulatschichten ansammeln. Diese absorbieren die kinetische Fallenergie der rieselnden Partikel und verringern dadurch deren mittlere Sinkgeschwindigkeit, wodurch sich der hold up erhöht. Die Packungsstruktur wurde in Heißtests weiter untersucht. Partikel bei Umgebungstemperatur wurden oben in die Kolonne eingeführt, während Luft bei atmosphärischem Druck von unten in den Wärmeübertrager einströmte. Die Lufteintrittstemperaturen wurden in vier Stufen auf bis zu 640 °C gesteigert. Es wurden für beide Medien fünf Massenströme festgelegt, um in etwa gleiche Wärmekapazitätsströme zu erreichten, für eine hohe Temperaturänderung in beiden Medienströmen. Es wurden Leistungsdichten von über 1.000 kW/m^3 ermittelt. Der volumetrische Wärmeübergangskoeffizient liegt bei ca. 15 kW/m^3, mit NTU-Zahlen für den Partikel- und Luftstrom von ca. 5 und 8. Die gemessenen Leistungsdichten, volumetrischen Wärmeübergangskoeffizienten und NTU-Werte konnten im Vergleich zur Literatur um etwa 100 % gesteigert werden. Dies lässt sich vermutlich durch die Erhöhung der verfügbaren Oberfläche der rieselnden Partikel innerhalb der Füllkörperkolonne erklären, beziehungsweise durch eine verringerte Sinkgeschwindigkeit des Granulats von ca. 0,2 m/s in der Literatur auf ca. 0,1 m/s. Dies legt die Vermutung nahe, dass eine optimierte Packungsstruktur in einem Rieselreaktor die Partikeloberfläche vergrößern und damit die Wärmeübertragereigenschaften steigern kann. Aufgrund der Analogie von Wärme- und Stoffübertragung wird angenommen, dass diese Erkenntnis auch auf chemische Reaktoren übertragbar ist.Ceramic particles represent a viable alternative as heat transfer and storage medium in concentrating solar tower systems. The particles are heated in solar-receivers close to 1,000 °C. To transfer the stored heat in the particles the principles of a trickle flow reactor, was considered to be superior compared to state-of-the-art technologies, like fluidized bed- or cyclone-HX. The trickle-flow heat exchanger (TFHX) provides a relative high power density at a relative low pressure drop, meeting the requirement for the use in a CSP tower system. To date, no design recommendation is known to identify for a given particle type an optimized packing structure that emphasizes gas-particle interaction by comprising a high total particle surface and a uniform spatial particle distribution of the trickling particles within the packing void. This is why this work aimed to develop and investigated a gas-particle direct-contact trickle flow heat exchanger for the envisioned use in a particle based solar tower system, using bauxite particles of 1 mm diameter. Based on observations in literature, different packed columns were designed and investigated numerically. In the DEM simulations the dimensionless total particle surface, the particle hold-up, such as the spatial particle distribution were analyzed. It was found that, for the used particles, bar elements with a flat cross-sectional area increase the particle hold-up and provide an even spatial distribution of the trickling solids. In a developed test-setup at ambient temperature, the packing geometry was refined experimentally. During those experiments it was found, that packing structures, designed to allow the accumulation of static particles can increase the hold-up of the trickling particles. Those static particles can absorb the kinetic falling energy of the trickling solids, and thereby reduce the particle sink velocity and conversely increase the total particle surface, or hold-up. The refined packing geometry was used in hot experiments to assess the heat transfer capabilities. Particles at ambient temperature with varying flow rates were feed into the top of the column, while air at ambient pressure was induced at the bottom of the HX. Four air inlet temperatures up to 640 °C, such as five different media flow rates were defined, where the particle and air flow rates were chosen to achieve roughly equal heat capacity flow rates, since a high temperature change in both media flows was preferred. For the highest air inlet temperature, the power density of the investigated TFHX was determined over 1,000 kW/m^3 for media flow rates above 2 kg/(m^2⋅s). The volumetric heat transfer coefficient ranges in the same flow conditions at approximately 15 kW/m^3, with NTU numbers for the particle and air flow of approximately 5 and 8 respectively. In was shown and discussed, that the developed TFHX in this work is capable to increase the determined power densities, volumetric heat transfer coefficients, and NTU values by approximately 100 % compared to the available data in literature. It is assumed, that the increase in performance can be deduced by an increased surface of the trickling particles within the packed column, or conversely by a reduced sink velocity of the grains of approximately 0.1 m/s, compared to the determined velocities of roughly 0.2 m/s in the literature. This leads to the assumption that an optimized packing structure in a trickle flow reactor is capable to increase the surface that interacts with the gas flow and therefore can enhance the heat transfer capabilities substantially. Due to the analogy of heat- and mass-transfer, it is assumed that this finding can also be applied in chemical reactors.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT031358429
Interne Identnummern
RWTH-2025-10780
Datensatz-ID: 1023839
Beteiligte Länder
Germany
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