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CFD-Strömungsuntersuchung eines Tunneltrockners zur Trocknung von Hintermauerziegeln

[September 2008] Ende des Jahres wird beim Ziegelhersteller HELUZ in Hevlin (Tschechien) ein neues Ziegelwerk zur Herstellung von Hintermauerziegeln in Betrieb gehen. Die Planung und die technische Umsetzung hat der Maschinen- und Anlagenbauer KELLER HCW mit Sitz in Ibbenbüren-Laggenbeck übernommen. Der im Ziegelwerk eingesetzte Tunneltrockner wurde bereits im Vorfeld im Rahmen einer Diplomarbeit strömungstechnisch untersucht. Die wesentlichen Inhalte der Diplomarbeit, die von Dipl.-Ing. Christian Panitz angefertigt und mit der Bestnote 1,0 bewertet wurde, stellen wir an dieser Stelle vor.

1. Einleitung

Die steigenden Energiepreise und die Forderung nach umweltschonenden Prozessen erfordern im steigenden Maß eine energetisch "günstige" Trocknung von Ziegelformlingen. In dem hier zu untersuchenden Tunneltrockner, der eine Tagesleistung von 1270 Tonnen nassen Ziegeln hat, werden die Strömungsvorgänge innerhalb des Trockners mithilfe experimenteller und numerischer CFD-Methoden untersucht. CFD steht für "Computational Fluid Dynamics" und ist in der Fluidmechanik, ähnlich wie die FEM im strukturmechanischen Bereich, eine Methode zur numerischen Annäherung eines festgeschriebenen Strömungsproblems.

Um die Dimensionierung der im Tunneltrockner installierten Ventilatoren zu überprüfen, werden besonders die statischen Druckverluste, die in der Praxis üblicherweise auf der Nutzung von Erfahrungswerten beruhen, im Rahmen dieser Untersuchung erfasst. Durch die Erfassung des statischen Druckes soll zudem geprüft werden, welche Kräfte auf die Trocknerstruktur einwirken werden. Ferner wird die Geschwindigkeitsverteilung, die einen Einfluss auf die Homogenität der Trocknung hat, innerhalb dieses Tunneltrockners mittels der CFD untersucht.

Im ersten Teil dieses Beitrages wird die experimentelle Strömungsuntersuchung gezeigt. Hierbei wird ein Trocknersegment durch einen repräsentativen Versuchsstand in der Firma KELLER HCW nachgebaut und durch Erfassung der Strömungsgrößen Druck und Geschwindigkeit strömungstechnisch vermessen. Im nächsten Schritt wird ein auf das experimentelle Modell angepasstes numerisches Modell mithilfe des Softwarepakets FLUENT nachgebildet. Auf dessen Basis wird das sich im Trocknungsbetrieb einstellende Strömungsbild gänzlich simuliert. Die Erstellung des numerischen Modells geschieht an der Fachhochschule Osnabrück im Labor für Strömungslehre und Strömungsmaschinen an einer zu diesem Zweck eingerichteten Workstation.

2. Auftretende Strömungsanteile

Innerhalb des Tunneltrockners herrschen zwei Strömungsanteile, die beide einen entscheidenden Einfluss auf den Druckverlust haben und von daher bei der Untersuchung berücksichtigt werden müssen (siehe Bild 1). Der erste Strömungsanteil resultiert aus den umwälzenden Axialventilatoren, die in jeder der vielen Trocknerzonen dafür sorgen, dass die "nassen" Ziegel mit Trocknungsluft umströmt werden und somit eine zur Trocknung notwendige Atmosphäre erhalten. Zusätzlich zu dieser Strömung wird in jeder Klimazone des Trockners durch Rohrleitungssysteme Heißluft in den Trockner eingespeist. Diese Luftmengen können aus Kontinuitätsgründen nur in Richtung der Tunnellängsachse verlaufen und ergeben aus diesem Grund den zusätzlichen, längsgerichteten Strömungsanteil.

Da die Längsströmung, anders als die Menge an Umwälzluft, in jedem Trocknerabschnitt unterschiedlich ausfällt, herrschen in jeder Trocknerzone folglich unterschiedliche statische Druckverluste. Diese variablen Druckverluste werden im Rahmen der CFD-Untersuchung simuliert. Dabei werden verschiedene Fälle durchgerechnet: Beginnend bei der Simulation mit reiner Umwälzströmung, werden in kleinen Schritten, sukzessive die Längsströmungsanteile erhöht und separat ausgewertet. Das Ziel hierbei soll sein, durch die simulierten Druckverluste, Vorhersagen über die später im Trocknungsbetrieb entstehenden statischen Druckverluste machen zu können.

Um zunächst ein geeignetes Computermodell zu erhalten, muss jedoch eine Verifikation des numerischen Modells erfolgen. Die entsprechenden Referenzgrößen soll der experimentelle Strömungsversuchsstand liefern. Dieser Versuchsaufbau entspricht einem Trocknersegment und beinhaltet im Wesentlichen eine bestimmte Anzahl aufgestellter Ziegel sowie einem Axialventilator. Somit wird ein vollständiger Umwälzkreislauf des Trocknersystems experimentell nachgefahren. In Bild 2 ist die Innenansicht des Versuchsstands dargestellt.

Sobald der Versuchsstand errichtet worden ist, erfolgen die Strömungsmessungen. Da in der späteren Simulation besonders die statischen Druckverluste interessant sind, werden zunächst an verschiedenen Messpunkten statische Wanddrücke im Besatzraum gemessen. Die Forderung ist hier, dass die experimentellen und die simulierten Drücke mit hinreichender Genauigkeit übereinstimmen. Ferner werden innerhalb des Besatzraumes an ca. 180 Messpunkten, Strömungsgeschwindigkeiten messtechnisch aufgenommen. Die Geschwindigkeitsmesswerte sollen an erster Stelle als Referenzgrößen dienen, jedoch auch einen ersten Einblick auf die Strömungssituation im Tunneltrockner geben.

3. Durchführung der Simulation

Im Zuge der Simulation wird zunächst ein geometrisches Grundmodell im Konstruktionsprogramm CATIA V5 generiert. Sobald das Grundgerüst erstellt worden ist, wird das gesamte Modellvolumen, d.h. alle Ziegel, Stellagen, Luftzwischenräume und der Ventilator, nach der Exportierung der geometrischen CATIA-Daten, in dem FLUENT vorgeschalteten Preprozessor GAMBIT "diskretisiert". Unter dem Begriff "Diskretisierung" versteht man, ein Kontinua in eine Anzahl endlicher räumlicher Stützstellen zu überführen, oder vereinfacht das Modell mit einem numerischen Netz zu versehen (siehe Bild 3).

Die Anzahl der dreidimensionalen Diskretisierungsstellen belaufen sich in der hier durchgeführten Strömungssimulation auf rund sieben Millionen "kleine" Volumenelemente. Unter Vorgabe gewisser Randbedingungen, (z.B. der Ventilatorkennlinie oder Turbulenzeigenschaften) werden für jedes dieser Elemente, iterativ die Strömungsgrößen berechnet. Sobald die numerische Berechnung stabil verläuft und die numerische Annäherung eine hinreichende Genauigkeit erreicht hat, wird die Simulation benutzer- oder programmseitig abgebrochen. Die berechneten Daten stehen fortan zur Auswertung bereit.

Die Auswertung der simulierten Daten ergab eine gute Übereinstimmung zu den experimentell gemessenen Ergebnissen. Somit bietet das erstellte FLUENT-Modell eine gute Basis für die weiteren Berechnungen mit zusätzlicher Längsströmung. In Bild 4 ist dazu die in FLUENT simulierte Stromlinienverteilung des Umwälzkreises, mit überlagerter Längsströmung zu sehen.

4. Potenzial für weitere Untersuchung

Die in diesem Beitrag gezeigten Ergebnisse lassen erkennen, das CFD-Simulationen in Zukunft eine immer größere Rolle spielen werden. Im Fall des hier untersuchten Tunneltrockners konnte gewährleistet werden, dass die ausgelegten Ventilatoren die statischen Druckverluste decken und somit keiner Redimensionierung bedürfen. Ferner entsprach der hier simulierte statische Trocknerinnendruck den Erwartungen der Konstrukteure von KELLER HCW.

In naher Zukunft werden die Untersuchungen nach der numerischen Methode fortgesetzt. Besonders bei zukünftig geplanten Trocknerauslegungen könnten hierdurch Verbesserungsmaßnahmen hinsichtlich der energetischen Systemeffizienz herausgearbeitet werden.

5 Schlusswort

Nach der bestandenen Diplomprüfung, die in der Firma KELLER HCW und der FH Osnabrück abgelegt wurde, wird Christian Panitz in die Abteilung Verfahrenstechnik übernommen. Im nächsten Schritt sollen weitere numerische Strömungsuntersuchungen in Kooperation mit der FH Osnabrück erfolgen. Anschließend wird der Schwerpunkt seiner Aufgaben die verfahrenstechnische Auslegung und Konstruktion von Anlagen für die grobkeramische Industrie sein.

Im Übrigen bietet die Firma KELLER HCW, wie im Fall von Christian Panitz, die Möglichkeit an, Abschlussarbeiten in verschiedenen Ingenieursdisziplinen, wie z.B. im Bereich Maschinenbau, Prozessleit- und Elektrotechnik, anzufertigen. Des Weiteren wird ab dem nächsten Jahr die Möglichkeit zu einem dualen Studium, d.h. einem Verbund aus Facharbeiterausbildung und einem Hochschulstudium mit dem Bachelorabschluss, angeboten.



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