Student/in Maschinenbau, Mathematik, Physik o.ä. (w/m/d)

Die Nachfrage nach Zement hat sich in den letzten 25 Jahren nahezu verdreifacht, und die CO₂-Emissionen aus der Zementherstellung machen inzwischen 8 % der weltweiten Industrieemissionen aus. Ein wichtiger Teil des Prozesses ist die Kalzinierung von Kalkstein zu Kalk und CO₂. Diese endotherme Reaktion erfordert hohe Temperaturen von über 900°C in der Reaktionskammer, die in herkömmlichen Kalzinierungsanlagen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt werden. Um die Emissionen zu reduzieren, ist das Ziel des Projekts am DLR die Verbrennung fossiler Brennstoffe durch Solarenergie zu ersetzen. Dazu wird ein solarer Drehrohrofen für den Kalzinierungsprozess entwickelt.

Da der Aufbau von Experimenten kostspielig als auch zeitaufwändig ist und bestimmte Parameter nur schwer zu messen sind, ist ein numerisches Modell zum besseren Verständnis der Wärmeübertragungsmechanismen und des chemischen Reaktionsprozesses im Innern des Kalzinators notwendig.

Ein Strahlungsmodel des Tiegels existiert bereits. Daher wird der Schwerpunkt Ihrer Arbeit auf der numerischen Analyse der Wärmeübertragung durch Konvektion und Wärmeleitung liegen. Dazu gehören die natürliche Konvektion innerhalb und außerhalb des Tiegels, die erzwungene Konvektion durch die Rotation des Kalzinators und die Wärmeleitung in die Haltestruktur. Sie beginnen mit einer Literaturrecherche über die vorhandenen und der am häufigsten verwendeten Modelle für Konvektion und Leitung in Solardrehrohröfen. Anschließend konstruieren Sie ein vereinfachtes 3-dimensionales Modell des Reaktors, um den Einfluss der Konvektion auf das Heizverhalten des Reaktorsystems zu klassifizieren.

Sie werden auch die Wärmeleitung analysieren, indem Sie ein qualitativ hochwertiges Netz erstellen, um die Leitungsverluste in der Haltekonstruktion des Kalzinators zu bestimmen. Eine Ihrer Aufgaben wird daher eine detaillierte Netzstudie sein, um einen geeigneten Kompromiss zwischen Berechnungszeit, Stabilität und Genauigkeit zu finden. Ihre Ergebnisse werden durch Experimente validiert, die im August/September an einem solaren Drehrohrofen durchgeführt werden. Je nach Zeit und Ihren Interessen könnte auch eine numerische Studie der Mehrphasenströmung im Hinblick auf die Wärmeübertragung in das dichte Partikelbett durchgeführt werden.