Anlagenkomponenten mit Strömungssimulationen optimieren

1 Einleitung

Der Einsatz von strömungstechnischen Simulationen (Computational Fluid Dynamics, CFD) ermöglicht die Voraussage des Anlagenverhaltens in einem Detaillierungsgrad, den traditionelle und kostenintensive Versuchsaufbauten nie erreichen können. Mittels CFD-Simulation, werden Wärmeübergänge, Druckverlustverhalten, Geschwindigkeitsprofile, Partikeltrajektorien, Strömungs- und Verdampfungsvorgänge analysiert. Die Programme zur CFD-Simulation haben sich daher zu wichtigen Werkzeugen zur Analyse und Optimierung von durchströmten Anlagen und Apparaten entwickelt.

Entwicklungsprozesse müssen heute effektiv und effizient sein. Eine Alternative zu den kostenintensiven, herkömmlichen Entwicklungsprozessen, bestehend aus konstruktiver Entwicklung, Musterbau und experimenteller Validierung (in mehreren Schleifen), ist der Einsatz von effektiven Computersimulationen. Die CFD-Simulationen basieren auf der numerischen Strömungsmechanik, die das Ziel hat, strömungsmechanische Probleme approximativ mit numerischen Methoden zu lösen. Die benutzten Modelle gehen auf die Navier-Stokes-Gleichungen, Euler-Gleichungen und Potentialgleichungen zurück. Die Optimierung von Schlauchfiltern und Anlagenkomponenten wird bei Intensiv-Filter durch die enge Vernetzung des 3-D CAD-Systems (Solid Works) mit dem hauseigenen CFD-Programm (CFX) realisiert. Hierbei werden in den notwendigen Arbeitsschritten maximale Synergien erzielt. Nach Abschluss der Pre-Processing Schritte, läuft die eigentliche Strömungsberechnung über Nacht auf leistungsfähigen PC’s.

Der typische Ablauf einer Bauteiloptimierung mittels CFD folgt bei Intensiv-Filter einem standardisierten Ablaufschema:

– ­Geometrieerstellung in 3D (SolidWorks)

­– Pre-Processing:

- Importieren der 3D-Geometrie

- Erstellung des zu durchströmenden Körpers ggf. Optimierung scharfer Ecken und Kanten

- Netzgittergenerierung

- Eingabe Betriebsparameter der Stoff- und Betriebsdaten

 • Strömung definieren

 • Randbedingungen festlegen

­– Start der Strömungsberechnung des Solvers

­– Post-Processing:

 • Auswertung und visuelle Darstellung und Interpretation der Ergebnisse.

Im Folgenden wird anhand ausgeführter Entstaubungsanlagen die Einbindung der Strömungssimulation in die verfahrenstechnische und konstruktive Entwicklung aufgezeigt.

2 Fallbeispiel: Deuna Zement GmbH/Deutschland

Zur Entstaubung des Drehrohrofens bei der Deuna Zement GmbH, wurde das vorhandene Elektrofilter in einen Filtrationsabscheider umgebaut. Neben der weitgehenden Nutzung des vorhandenen Elektro-Filtergehäuses wurde eine Filterflächenbelastung von 60 m³/m²/h realisiert. Hierzu wurde im Gegensatz zu üblichen Elektrofilterumbauten der Rohgasraum vollständig mit Schläuchen bestückt.

Die beengten Platzverhältnisse und der ungünstige Rohgas­eintritt ließen einen nachteiligen Strömungsverlauf in den Staubsammelraum und eine ungünstige Aufströmung in die Schlauchpakete erwarten. Die Strömungssimulation sollte Aufschluss über die notwendigen Veränderungen im Bereich der Einströmung geben.

Ziel war eine gleichmäßige Anströmung der Schlauchpakete durch eine Kombination aus Kreuzströmung und minimierter (nicht vermeidbarer) Aufströmung. Hierzu wurde die konstruktive Ausführung verschiedener Leit- und Lamellenbleche variiert (Bild 1).

2.1 Ergebnisse

Erste Simulationsergebnisse (Bild 2) zeigten hohe Geschwindigkeiten von ca. 10 m/s im ersten Staubsammelrumpf. Um diese Geschwindigkeit zu minimieren, wurden zunächst Leitbleche ergänzt.

Die Anströmungen der Filterelemente wurden in einem weiteren Schritt vergleichmäßigt, damit hohe Geschwindigkeiten im Eintrittsbereich sowie Totzonen, in denen es zu
Ver­wirbelungen und Rückströmungen kam, eliminiert
wurden. Schlauchbeschädigungen durch abrasive Stäube werden entsprechend vermieden. Hierzu wurde ein speziell von ­Intensiv-Filter entwickeltes Lamellenleitsystem eingesetzt, welches die gewünschte Optimierung der Einströmungsverhältnisse bewirkt.

In einem letzten Schritt, wurde die gleichmäßige Verteilung des Volumenstroms unterhalb der Schlauchpakete überprüft. Die Filterschläuche werden durch die nun stark verringerte aufwärts gerichtete Strömung und die erzielte Kreuzströmung zwischen den Schläuchen optimal umströmt. Damit wird die Filterfläche bestmöglich ausgenutzt und die Effizienz des Abreinigungssystems unterstützt (Bild 3).

Als Resultat der Strömungsoptimierung konnten folgende Verbesserungen verwirklicht werden:

­– Gleichmäßige Umströmung der Filterschläuche und Ausnutzung der Filterfläche durch Erreichen der gewünschten Kreuzströmung

­– Gleichmäßige und niedrige Geschwindigkeitsverteilung im gesamten Rohgasraum

­– Minimierung der aufwärts gerichteten Strömung zwischen den Schläuchen

­– Signifikante Reduzierung des Filterwiderstandes und daraus resultierende Verringerung des Differenzdruckes

­– Reduzierung der Betriebskosten

Im Praxisbetrieb haben sich die gleichmäßige Schlauchanströmung sowie der geringe Differenzdruck des Filters bestätigt.

3 Fallbeispiel: Carpatcement, Werk Bicaz/Rumänien

Intensiv-Filter hat in dem rumänischen Zementwerk Bicaz den Umbau der Elektrofilter in filternde Abscheider sowie die Entstaubung der Rohmehlmühle, Klinkertransport und Klinkerdosieranlage durchgeführt. Zusätzlich wurde Intensiv-Filter mit der Optimierung des bestehenden Verdampfungskühlerbeauftragt. Die Ausgangsbasis hierzu war eine durchzuführende CFD Analyse der bestehenden Anlage.

3.1 Ergebnisse:

Die Bilder 4a und 5a zeigen das Strömungsverhalten und das Temperaturprofil vor der Optimierung. Der dem Verdampfungskühler vorgeschaltete Krümmer verursacht eine asymmetrische Strömungsführung und Temperaturverteilung in der Verdampferzone, bei der ein Wandkontakt der Flüssigphase und Staubfracht nicht auszuschließen ist.

Als Resultat der CFD-gestützten konstruktiven Optimierung wurde die Einströmung in den Verdampfungskühler durch den Einsatz von Leitblechen so vergleichmäßigt, dass der Gasstrom zentral in den oberen Konus des Apparates einströmt (Bild 4b
und 5b). Hinter dem Lochblech-Strömungsgleichrichter wird damit eine symmetrische Strömungsführung ohne Wandkontakt der dispersen Phase im Kühler erzielt. Durch diese Maßnahme erfolgt eine verbesserte und optimierte Verdampfung der eingedüsten Wassertropfen zur Erzielung eines sicheren und konstanten Direktbetriebes für das nachgeschaltete Schlauchfilter. Weitere Vorteile sind das Verhindern von feuchten Staubanbackungen im VDK-Gehäuse sowie im VDK-Staubaustrag.

Insgesamt betrachtet wurden, durch die aus der Strömungssimulation resultierenden Maßnahmen, sowohl die Energieeffizienz der Gesamtanlage verbessert, als auch die Voraussetzungen für ein störungsfreies Betriebsverhalten geschaffen.

4 Schlußbetrachtung

Leistungsfähige kommerzielle CFD-Programmpakete gestatten heute die strömungstechnische und thermische Analyse sowie die darauf aufbauende Optimierung von Anlagenkomponenten. Der Schlüssel zu einer effizienten Lösung kundenspezifischer Aufgabenstellungen besteht hierbei in der Vernetzung des CFD-Programms mit dem CAD-System. Intensiv-Filter hat daher entschieden, CFD-Rechnungen durch eine eigens hierzu geschaffene Expertengruppe inhouse durchzuführen. Neben der Beschleunigung der verfahrenstechnischen und konstruktiven Projektarbeit in der Konzeption und Realisierung von industriellen Entstaubungsanlagen, dient CFD auch als Werkzeug für grundlegende Weiterentwicklungen. Intensiv-Filter baut damit seine Kernkompetenz in der Entwicklung energieeffizienter Filteranlagen und Anlagentechnik, von der Emissionsquelle bis zum Kamin, weiter aus.

www.intensiv-filter.com