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Simulation von Schüttgutprozessen Fortschritte bei der Simulation von Schüttgutströmungen

| Autor / Redakteur: Markus Hufschmidt / Sabine Mühlenkamp

Lange Zeit galt die Simulation von Schüttgutprozessen als zu komplex, um sie in der Praxis anzuwenden. Doch inzwischen lassen sich viele Partikelbewegungen etwa im Silo detailliert beschreiben. Damit lässt sich die Auslegung von Anlagen und Komponenten wesentlich optimieren.

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Partikelbewegung im Silofreibord während der Befüllung. Das Silo ist zu 80 Prozent gefüllt.
Partikelbewegung im Silofreibord während der Befüllung. Das Silo ist zu 80 Prozent gefüllt.
(Bild: Aixprocess)

Simulation von Schüttgutströmungen – unmöglich? Die numerische Strömungssimulation als Werkzeug zur Auslegung von Apparaten oder Anlagen gewinnt zunehmend an Bedeutung. Traditionell wird sie bereits für die Optimierung von Karosserieteilen im Automobilbau oder das Ersetzen von kostenintensiven Windkanalexperimenten im Flugzeugbau sowie in der Formel 1 eingesetzt.

Analyse von Schüttgutströmungen ist möglich

Die nächste komplexere Stufe ist die Berechnung von chemischen Anlagen, Brennersystemen oder kompletten Feuerungsanlagen. Hier spielen neben der einfachen Gasströmung zusätzlich chemische Reaktionen und der damit verbundene Wärmetransport sowie eine Mehrphasigkeit der Strömung eine wichtige Rolle. Trotz des hohen Expertenwissens für die numerische Strömungssimulation wurde diese bei der Analyse von Schüttgutströmungen bislang jedoch recht zurückhaltend eingesetzt.

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Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass das Fließen von Schüttgütern nicht mit einem allgemeingültigen und für die Strömungssimulation geeigneten Gleichungssatz beschrieben werden kann. Zudem sind die bekannten Experimente (z.B. Jenike-Schergerät, Ringschergerät) zur Bestimmung von Schüttguteigenschaften nicht geeignet, die Modellparameter für die in der Strömungssimulation verwendeten Gleichungen zu ermitteln. Das dynamische Verhalten von fließenden Schüttgütern muss anders bestimmt werden.

Bei Schüttgütern spielt der Strömungszustand eine wesentliche Rolle. Bei einer schleichenden und kompakten Strömung, wie beim Abrutschen eines Haufwerks, sind beispielsweise die Partikel-Partikel-Kräfte anders zu modellieren als bei einer zum Teil fluidisierten Schüttung. Für eine erfolgreiche Simulation von Schüttgutströmungen ist im Vorfeld die Art der Strömung zu klassifizieren. Auf dieser Einordnung basiert die Entscheidung mit welchem Simulationswerkzeug die Berechnung erfolgen soll. Derzeit ist es noch nicht möglich alle Arten von Schüttgutströmungen mit einem Simulationswerkzeug zu berechnen.

Weiterhin ist zu spezifizieren, welche Phänomene analysiert werden sollen und welche Detailtiefe erforderlich ist. Im Folgenden werden zwei Beispiele aufgeführt, die sich hinsichtlich der Strömungsart signifikant unterscheiden. Das erste Beispiel beschreibt eine Strömungsanalyse für die Befüllung eines Silos. Im zweiten Beispiel wird die Bestimmung von Modellparametern dargestellt und das Berechnungsergebnis für einen Labormischer gezeigt.

Strömungsvorgänge im Silo

Der beim Befüllen von Silos eingebrachte Transportvolumenstrom wird über Filteranlagen kontinuierlich ausgeschleust. Die Filter reinigen den Transportgasstrom und halten das Schüttgut im Siloinnenraum. Bei der Neuauslegung oder Ertüchtigung von Siloanlagen ist eine optimale Auslegung der Filteranlage wichtig. Ist der Filter zu groß, bedeutet dies hohe Errichtungskosten und hohe Betriebskosten; eine zu kleine Filteranlage führt zu einer sehr schnellen Beladung des Filters.

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