Deutsche Forschungsgemeinschaft
SPP 1679
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Modellierung und dynamische Simulation mehrstufiger Partikel-Querstromtrennungen in einem turbulenten Fluidstrom

Institute:

Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik, Lehrstuhl für Strömungsmechanik und Strömungstechnik, OvGU Magdeburg
Institut für Verfahrenstechnik, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik, OvGU Magdeburg

Projektleiter:

Prof. Dr.-Ing. habil. J. Tomas, OvGU Magdeburg
Prof. Dr.-Ing. habil. D. Thévenin, OvGU Magdeburg 

Bearbeiter:

M.Sc. H. Glöckner, OvGU Magdeburg 
Dipl.-Ing. C. Roloff, OvGU Magdeburg 

 

Projektziel

Die experimentelle Untersuchung, Modellierung, dynamische Simulation und Bewertung mehrstufiger Partikel-Querstromtrennungen in einem turbulenten Luftstrom (Windsichtung) wurde gezielt für dieses Schwerpunktprogramm „DynSim“ ausgewählt, weil dieser typische Trennprozess für die Abtrennung einer großen Zahl von Rohstoffen, Abfällen, Zwischen- und Nebenprodukten in vielen Branchen der stoffwandelnden Wirtschaft eingesetzt wird.

Eine schematische Darstellung der vorhandenen Pilotanlage ist in Abbildung 1 dargestellt. Charakteristisch ist der zickzack-förmige Strömungskanal (2). Die Prozessluft wird durch den Lüfter (9) angesaugt, beschleunigt und durchströmt den Kanal von unten nach oben. Die Gutaufgabe aus dem Aufgabesilo (5) erfolgt über eine Rüttelrinne (6) in der Mitte des Kanals. Im Sichterbetrieb verlassen die groben bzw. schweren Partikel den Kanal an der Unterseite als Grobgut (4), wohingegen die feinen bzw. leichten Partikel mit der Luft nach oben ausgetragen und im Aerozyklon (1) als Feingut (3) abgeschieden werden. Bei Bedarf kann ein Filter (7) in den Kreislauf geschaltet werden, um Feinstpartikel abzutrennen. Die vollständige Ausrüstung der Versuchsanlage mit moderner Prozessmesstechnik im Rahmen des Projekts erlaubt jetzt eine genaue Charakterisierung und Einordnung der beteiligten Prozessparameter während des Trennversuchs.

Im Rahmen der Arbeit werden zeitlich und örtlich aufgelöste Modelle zur Beschreibung des Feststoff- und Fluidverhaltens erstellt, welche prädiktiv zur Beschreibung des dynamischen Trennverhaltens und der Prozessgüte in Abhängigkeit von Aufgabestrom, Beladung und den jeweiligen Partikeleigenschaftsverteilungen eingesetzt werden sollen. Die erstellten Modelle werden durch Trennversuche, gekoppelte Simulationen der Fluiddydamik (CFD, Computational Fluid Dynamics) mit jenen der Partikelmechanik (DEM, Diskrete-Elemente-Methode) und mithilfe von bildgebende Verfahren (PIV - Particle Image Velocimetry und PTV - Particle Tracking Velocimetry) validiert.

Arbeitsprogramm

Innerhalb des Forschungsvorhabens sind multiskalige Lösungsansätze sowohl auf der mikroskopischen (Einzelkornbewegung im Luftstrom) als auch auf der makroskopischen Ebene (Trennprozess) vonnöten. Die Lösungen aus beiden Bereichen sind in den numerischen Simulationen miteinander zu verbinden.

Bezüglich der makroskopischen Pilot-Ebene stehen umfangreiche Trennversuche im Vordergrund. Neben Klassierversuchen (Trennung nach der Korngröße) mit Flusssand-Kies-Gemischen wurden Sortierversuche (Trennung nach der Feststoffdichte) von Soft-Air-Partikeln durchgeführt. Zum Abschluss erfolgen noch Trennversuche komplexer Gemische (z.B. gezielt verformte Kunststoffgranulate) nach den Trennmerkmalen Größe, Form und Dichte. Durch eine Variation der Aufgabeströme sowie Luftvolumenströmen soll der Einfluss der Massenbeladung in der Luft auf den Trennvorgang genauer untersucht werden. Hierbei spielen vor allem die Ermittlung der Trenneigenschaft und die energetische Bewertung des Prozesses (Druckverlust, Leistungsbedarf) eine wichtige Rolle. Weiterhin soll über die Variation von Kanalgeometrie, Stufenanzahl und Produktaufgabe eine optimale Konfiguration ermittelt werden.

Auf mikroskopischer Ebene sollen sowohl der Strömungsverlauf als auch die Partikelbewegung im turbulenten Fluidstrom untersucht werden. Neben der bereits durchgeführten Laser Doppler Velocimetry (LDV) und der Particle Image Velocimetry (PIV) zur Strömungsvisualisierung erfolgt nun die Erfassung der Partikelbahnen mit Hilfe der Particle Tracking Velocimetry (PTV). Zur gleichzeitigen Erfassung unterschiedlicher Partikelkollektive soll zusätzlich eine Farbkodierung zur Anwendung kommen.

Als Grundlage für die Durchführung der Messungen wurden umfangreiche Umbauarbeiten an der Anlage durchgeführt. Für die Variation des Luftvolumenstroms wurde ein neuer Lüfter eingebaut. Für einen kontinuierlichen steuerbaren Aufgabemassenstrom wurde eine Schwingrinne installiert. Die optischen Messungen werden über die gesamte Kanalhöhe ermöglicht, durch den von drei Seiten optisch zugänglichen, speziell für diese Aufgabe konzipierten modularen Zickzackkanal, dessen Stufenzahl mit geringem Aufwand variiert werden kann (siehe Abbildung 2).

Unter Verwendung der ermittelten Stoffeigenschaften und Betriebsparametern erfolgte die Durchführung einphasiger CFD-Simulationen, die mit Hilfe der strömungstechnischen Messergebnisse validiert wurden, um die Eignung verschiedener Turbulenzmodelle festzustellen. Hierbei wurden vor allem Modelle auf Basis der dreidimensionalen Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen (RANS, Reynolds-averaged Navier-Stokes-equations bzw. URANS, unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes-equations) genutzt. Darauf aufbauend erfolgt die Simulation der Mehrphasenströmung unter Beachtung der auftretenden Mechanismen (z.B. Kollisionen) mit zunehmender Genauigkeit durch eine 1-, 2- und 4-Wege-Kopplung mit der Partikelsimulation.

Die bereits gewonnenen Erkenntnisse wurden genutzt, um ein dynamisches Trennmodell auf Basis der mesoskopischen Partikelbewegung durch Konvektion und Diffusion zu erstellen. Dieses Modell wird im Rahmen des Teilprojektes weiterentwickelt, so dass eine prädiktive Sichterauslegung und -optimierung möglich wird.

 

Tätigkeiten der einzelnen Arbeitsgruppen:

AG Thévenin, OvGU Magdeburg

  • Vermessung des Strömungsfeldes

  • Charakterisierung der Partikelbewegung in der turbulenten Strömung

  • Entwicklung und Validierung der numerischen Simulationen

  • Durchführung der automatisierten numerischen Prozessoptimierung

AG Tomas, OvGU Magdeburg

  • Durchführung der Trennversuche am Zick-Zack-Sichter

  • Energetische und qualitative Bewertung der Trennungen

  • Modellentwicklung und -validierung

  • Apparative Optimierung