Experimentelle und numerische Untersuchung der Mechanismen von Bildung, Umlagerung und Ablösung reaktiv-inerter Partikelstrukturen an umströmten zylindrischen Kollektoren in gasförmiger Umgebung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Achim Dittler; Professor Dr.-Ing. Uwe Janoske
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434784957

Reaktiv-inerte Partikelstrukturen auf umströmten zylindrischen Kollektoren kommen in einigen technischen Anwendungen vor. Beispiele sind Ruß (reaktiv) und Asche (inert) in offenporigen Filtermedien bei der Partikelabscheidung aus Abgasen oder Prozessgasen aber auch Kohlestaub (reaktiv), Asche (inert) und Füllkörperbruch (inert) in Festbettreaktoren zur Vergasung von Kohlestaub. Bei diesen Anwendungen können abgelagerte Partikeln vom Kollektor abgelöst und durch das poröse Medium transportiert werden. Beispielsweise der Transport von Asche durch einen Rußpartikelfilter oder der Transport von Kohlestaub in einem Festbettreaktor. Strömungsindizierte Ablösevorgänge von Partikeln vom Kollektor, die solche Transportvorgänge hervorrufen, wurden von Löffler bereits für bestimmte Kombinationen von Betriebsparametern und inerte Partikeln an einzelnen zylindrischen Kollektoren untersucht. Nach Löffler lösen sich inerte Partikeln von einzelnen Fasern erst ab Strömungsgeschwindigkeiten größer 1 m/s ab. Der Einfluss der Reaktion, einer reaktiven Komponente, auf die Ablösung wurde bisher noch nicht betrachtet.In einem Vorversuch bei Umgebungstemperatur von 22°C (keine Reaktion der Reaktivkomponente) konnte die von Löffler getätigte Beobachtung bestätigt werden. Bei diesem Versuch wurde eine 40 Mikrometer dicke Metallfaser mit Ruß und 4 – 20 Mikrometer großen Glaskugeln beladen und mit Luft aus einem Rohr bei steigender Leerohrgeschwindigkeit angeströmt. Eine Ablösung von Agglomeraten trat erst bei Strömungsgeschwindigkeiten über 3,5 m/s auf. Wird das gleiche System aus Ruß und Glaskugeln mit Luft bei 410°C angeströmt, kommt es zur Reaktion des Rußes und zur Ablösung bei Leerohrgeschwindigkeiten von 48 cm/s. Außerdem kann eine Umlagerung der Partikelstruktur beobachtet werden.In diesem Forschungsvorhaben sollen die Ablösevorgänge quantitativ auf Parameter wie Gasgeschwindigkeit, Temperatur, Kollektordurchmesser, Faserbeladung, Reaktiv-/Inertanteil, Aufbau der Partikelstruktur, Durchmesser der monodispersen Inertpartikeln, anzahlbezogener Mediandurchmesser der Reaktivpartikeln und die Prozessführung zurückgeführt werden. Damit die Ergebnisse auf verschiedenste poröse Medien übertragbar sind, sollen zuerst einzelne zylindrischen Kollektoren untersucht werden.Am Karlsruher Institut für Technologie sind experimentelle Versuche zu den Ablösevorgängen durchzuführen. Dabei soll zuerst die Faserbeladung mittels Gravimetrie und Mikroskopie charakterisiert werden um anschließend die Ablösevorgänge über die Bildauswertung von Videoaufnahmen und die Streulichtsignale einer Lichtschnitt-Messtechnik zu quantifizieren.An der Bergischen Universität Wuppertal sollen die Ablösevorgänge mittels theoretischer Modelle betrachtet werden. Diese Modelle schaffen ein grundlegendes Verständnis der beteiligten Mechanismen und ermöglichen nach der Verifikation, anhand der experimentellen Daten, eine Berechnung anderer Geometrien und Anwendungsfälle.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen