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Wirbelschichten: sind Blasen unvermeidlich?

Die Schicht durchmischt sich dank der Blasen gut. Aber genau diese Blasen lassen Gas entweichen, ohne dass es mit dem Feststoff in Berührung kommt.

Leitet man Gas von unten durch eine Schüttung fester Partikel, gleicht die Widerstandskraft oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit das Gewicht der Partikel aus und die Schicht fluidisiert: Der Feststoff beginnt sich wie eine Flüssigkeit zu verhalten.

Die Schwellengeschwindigkeit (die Lockerungsgeschwindigkeit) findet man, indem man den Druckverlust der Schicht dem Partikelgewicht gleichsetzt; die Ergun-Korrelation ist die klassische Quelle für diesen Druckverlust [1].

Blasen: zugleich Lösung und Problem

Oberhalb der Lockerungsgeschwindigkeit durchquert das überschüssige Gas die Schicht als Blasen.

Der Nutzen: Aufsteigende Blasen durchmischen den Feststoff. Deshalb liefern Wirbelschichten eine hervorragende Wärmeverteilung und arbeiten nahezu isotherm.

Der Schaden: Das Gas im Inneren einer Blase durchquert die Schicht fast ohne Kontakt zum Feststoff — ein Kurzschlussweg. Die Reaktions- oder Wärmeübergangsausbeute kann deshalb unter den Erwartungen bleiben.

Die Auslegung dreht sich um die Beherrschung der Blasengröße: zu klein, und die Durchmischung ist schwach; zu groß, und der Kurzschluss ist zu stark.

Weitere Regime

Mit steigender Geschwindigkeit durchläuft die Schicht Kanalbildung, Kolbenbildung und schließlich die pneumatische Förderung. Jedes Regime hat einen anderen Modellierungsansatz; ein Modell zu wählen, ohne zu wissen, in welchem Regime man sich befindet, ist sinnlos.

Modellierung

Da der Volumenanteil des Feststoffs hoch ist, ist das Verfolgen einzelner Partikel nicht praktikabel; die beiden Phasen müssen als sich durchdringende Kontinua gelöst werden. Siehe die Notiz zur Mehrphasenströmung.

Das Ergebnis hängt stark vom Interphasenwiderstand und von den Schließungsansätzen für die Partikel-Partikel-Stöße ab. Das ist ein Unsicherheitsposten und gehört in den Bericht.

Das Problem ist zudem von Natur aus instationär: Blasen entstehen, koaleszieren und platzen. Eine stationäre Lösung kann die Blasen überhaupt nicht sehen und zeigt die Schicht als homogen. Siehe die Notiz zu stationär oder instationär.

Referenzen

  1. Ergun, S. (1952). Fluid flow through packed columns. Chemical Engineering Progress, 48(2), 89–94.
  2. Morsi, S. A. & Alexander, A. J. (1972). An investigation of particle trajectories in two-phase flow systems. Journal of Fluid Mechanics, 55(2), 193–208. DOI: 10.1017/S0022112072001806

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