Anlagenteile mit numerischer Strömungssimulation verbessern

optimierungsbedarf

10.10.2006 Durch die moderne Computertechnologie ist es möglich, auch komplexe Strömungsvorgänge, wie sie in vielen verfahrenstechnischen Apparaten auftreten, vorauszuberechnen und sichtbar zu machen. So kann man den Apparat nach den entsprechenden Prozessgesichtspunkten optimieren.

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Dieser Fortschritt in der Computertechnologie bezieht sich sowohl auf den Software- als auch auf den Hardwarebereich. Der Großteil der Anwendungen kann mittlerweile auf PCs bearbeitet werden, wie sie auch im Bereich der 3D-CAD-Anwendungen eingesetzt werden. Damit steht diese Technologie nicht mehr nur Groß- oder Spezialunternehmen zur Verfügung, sondern kann auch in kleineren und mittleren Unternehmen zur Produktentwicklung eingesetzt werden. Diese Strömungsberechnungen sind meist unter dem Namen CFD (Computational Fluid Dynamics) bekannt. Im Rahmen des fachbereichsübergreifenden Forschungsschwerpunktes Aubios (Automatisierung umwelt- und bioverfahrenstechnischer Prozesse und Systeme) an der Fachhochschule Hannover (FHH) wurde unter anderem das Potenzial für Verbesserungen von Apparaten wie Plattenwärmeübertrager untersucht. Dabei wurden die strömungstechnischen Berechnungen in enger Abstimmung mit den Fachleuten des Fachbereiches Bioverfahrenstechnik, vormals als Milch- und Molkereiwesen der FHH bekannt, durchgeführt.

Wärmeübertrager habenVerbesserungspotenzial

Es wurde eine Wärmeübertragerplatte von rund 300x800mm, wie sie typischerweise im Herstellungsprozess von Quark eingesetzt wird, für die Simulation ausgewählt. Die Entwicklung der untersuchten Platte geschah zu einem Zeitpunkt, als dafür 3D-CAD noch nicht eingesetzt wurde. Die Platte wurde deswegen vermessen und in einem CAD-System geometrisch abgebildet. Die Gittergenerierung erfolgte mit der Software ICEM-CFD, die Strömungsberechnungen mit der Software CFX5.7.

Zunächst werden die Grundeigenschaften der Strömung bzw. des Teilprozesses untersucht. Es handelt sich um eine laminare Strömung mit einer Geschwindigkeit von zirka 0,04m/s im Plattenspalt. Bei Quark handelt es sich um ein hochviskoses Medium mit nichtlinearem Fließverhalten sowie einer starken Temperaturabhängigkeit im untersuchten Bereich zwischen 5 und 40°C.
Die Nichtlinearität macht sich durch das Vorhandensein einer Fließgrenze einerseits und einem degressiven Verlauf der Scherspannung über der Schergeschwindigkeit andererseits bemerkbar. Aus Messdaten wurden die Koeffizienten des verwendeten Stoffgesetzes (Herschel-Bulkley) bestimmt. Einer der zeitaufwändigsten Arbeitsgänge ist das Vernetzen der Strömungskanäle, d.h. das Aufteilen des Strömungsraumes in viele kleine Volumenelemente. Dieser Schritt erfordert größte Sorgfalt und Erfahrung, da hier die Grundlage für eine erfolgreiche Simulation gelegt wird. Im Fall des Plattenspaltes handelt es sich um eine sehr komplexe Geometrie mit einer relativ kleinen Ausdehnung quer zur Platte.
In Bild1 erkennt man die Vernetzung in der Nähe des Eintritts in den Verteiler. Insgesamt wurde der Spalt in rund 600000 Elemente aufgeteilt.

Randbedingungen an die Strömung

Dieser Arbeitsschritt erfordert stets eine enge Kommunikation des Berechnungsingenieurs mit den Verfahrenstechnikern bzw. Anwendern. In vielen Fällen ist es nicht möglich und auch nicht nötig, sämtliche Parameter eines Prozesses zu identifizieren oder zu beschreiben. Aus diesem Grund beschränkt man sich bei der Simulation auf die wesentlichen Parameter, um deren Einfluss zu untersuchen. Diese Vorgehensweise entspricht einer konventionellen Auslegung, da auch in diesem Fall nicht sämtliche, sondern nach der Auswahl der Verfahrenstechniker oder Konstrukteure nur die wesentlichen Parameter untersucht werden, um mit vertretbarem wirtschaftlichem Aufwand gute Ergebnisse bei der Simulation zu erzielen.

Im vorliegenden Fall sollte nicht die Wärmeübertragung von Eiswasser auf den Quark exakt untersucht werden, sondern der Einfluss der Temperatur auf das Fließverhalten des Quarks im Plattenspalt. Aus diesem Grund wurde an der Wand im Gegenstrom zum Quark die Wandtemperatur linear zwischen 1 und 5°C fixiert. Der Quark tritt mit 30°C in den Plattenspalt ein und kühlt sich entlang der Platte so bis auf 5 bis 6°C ab.
Aus der Vielzahl der Daten, die man schließlich nach einer CFD-Simulation zur Verfügung hat, sind hier einige exemplarisch dargestellt. Die folgenden drei Bilder zeigen die berechneten Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilungen sowie ein Isoflächenbild der dynamischen Viskosität.

Handlungsbedarf zur Optimierung bewiesen

Die Bilder2 und 3 zeigen die Temperatur- bzw. die Geschwindigkeitsverteilung je etwa 3mm unterhalb und 3mm oberhalb der Kontaktebene der beiden Platten, die den Fließspalt bilden. Der Strömungskanal wird durch zwei um 180° gedrehte gleiche Platten erzeugt, so dass sich deren Kanäle „kreuzen“.

Betrachtet man zunächst die Temperaturverteilung, so entsteht der Eindruck, die Platte erfülle ihren Zweck, die Wärmeübertragung zu realisieren, recht gut. Die dunkelblaue Farbe bedeutet 1°C, die rote 30°C. Der Quark hat vor dem Durchgang durch die Platte eine Temperatur von 30°C danach rund 5 bis 6°C. Tendenziell ist wegen der Randgängigkeit quer zur Platte eine Temperaturverteilung zu beobachten. Besonders im unteren Bereich ist die Kühltemperatur des Quarks offenbar schnell erreicht.
In Bild 3 ist die Geschwindigkeit in einer Bandbreite von 0 (dunkelblau) bis 0,08m/s (rot) eingefärbt. Das Maximum ist der doppelte Wert der mittleren Geschwindigkeit von 0,04m/s im Spalt, so dass die rote Einfärbung auf erhebliche „Übergeschwindigkeiten“ und damit auf erhöhten Druckverlust hinweist.
Im oberen Bereich findet man sehr hohe Geschwindigkeiten, im unteren sehr niedrige. Den erhöhten Druckverlust könnte man, je nach Anwendung, eventuell in Kauf nehmen, wenn die Wärmeübertragung – die eigentliche Aufgabe der Platte – erfüllt wird. Wünschenswert wäre jedoch eine bessere Verteilung des eintretenden Quarks bereits vor dem Wellenfeld, damit eine gleichmäßige Ausnutzung der gesamten Fläche möglich wird.
Da es sich bei dem betrachteten Medium um ein Fluid mit einer Fließgrenze handelt, könnte ein weiterer negativer Effekt auftreten. In Bild4 ist im „Drahtmodell“ der Platte die Isofläche für die dynamische Viskosität von 200Pa·s eingezeichnet. Für diesen Wert findet in einer Rohrströmung kein Fließen mehr statt. Es schiebt sich ein fester „Pfropfen“ durch das Rohr. Ein ähnliches Verhalten ist von Bingham-Fluiden, wie beispielsweise Zahnpaste, bekannt. Wenn auch die räumlich verwundene Strömung durch den Plattenspalt nicht direkt mit der Rohrströmung vergleichbar ist, so ist dies doch ein Hinweis darauf, dass es in diesem Bereich zu Verstopfungen, mindestens aber zu Zusetzungen in den Ecken der Platte kommen kann.

Für diese Platte besteht wahrscheinlich ein Handlungsbedarf zur Optimierung der konstruktiven Geometrie. Das Potenzial, welches nach Änderung der Plattengeometrie im Strömungsverhalten ausgeschöpft werden kann, lässt sich mit CFD-Berechnungen durchaus abschätzen.

Mithilfe der numerischen Strömunsgsimulation können Anlagenteile dem Prozess entsprechend optimiert werden

Heftausgabe: Oktober 2006
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Über den Autor

Prof. Dr.-Ing. Martin Gottschlich , Fachbereich Maschinenbau, Technische Mechanik, Strömungslehre, C
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