Verfahren zur thermischen und mechanischen Auslegung von zyklisch arbeitenden Radialstromapparaten

In der chemischen oder kryogenen Industrie werden die Mechanismen der physikalischen Adsorption und Desorption genutzt. Durch den erforderlichen Wechsel zwischen einer Arbeits- und einer Regenerierungsphase unterliegen die eingebundenen Komponenten dabei einer zyklischen Druck- und Temperaturbelastung. In dieser Arbeit werden die thermischen und die mechanischen Aspekte für die Auslegung radial durchströmter Apparate untersucht. Dabei wird zuerst das eintreffende Temperaturprofil auf das Adsorbens über eine Simulation zeitdiskret dargestellt, in dem die energetischen Verluste der Regeneriergasleitung vor Eintritt in den Apparat einbezogen werden. Stromabwärts nach der Adsorbensschüttung ist der Einfluss der zyklischen Ausdehnung der Adsorber interessant. Diese kann durch eine analytische Methode simuliert werden, die mittels thermographischer Messungen verifiziert wurde. Die Auswirkungen auf die Mechanik sind in einem Balkenmodell basierend auf der Finite-Elemente- Methode in diskreten Zeitschritten über einen Prozesszyklus dargestellt. Dadurch können Informationen über die Abfolge und die Wertigkeit von Druck- und Temperaturwechseln gewonnen werden. Eine spezielle Auslegungsmethode wird für die Stutzen-Behälter- Verbindung auf Wechselbeanspruchung vorgestellt. Über die geometrische Bestimmung der Steifigkeit des Behälterbodens und die ausgegebenen Kraft- und Momentverläufe kann unter Anwendung der Schalentheorie eine Vergleichsspannung gebildet werden. Die analytischen Berechnungen durch die Schalentheorie wurden anhand von Volumenmodellen aus finiten Elementen validiert.