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Strömungssimulation, links vor, rechts nach der Optimierung (Skala in m/s). Der Verlauf der Fadenschar ist in den Abbildungen mit kleinen Kreisen angedeutet. Rechts sieht man eine Abschrägung in der Einrichtung zur Luftverteilung.
Strömungssimulation, links vor, rechts nach der Optimierung (Skala in m/s). Der Verlauf der Fadenschar ist in den Abbildungen mit kleinen Kreisen angedeutet. Rechts sieht man eine Abschrägung in der Einrichtung zur Luftverteilung.

Strömungssimulationen für Trocknungsanlagen

Als klassischer Sonderanlagenbauer wird Münstermann aber immer wieder mit neuen Prozesstechnologien konfrontiert, für die im Unternehmen so noch keine empirischen Erfahrungswerte vorliegen.

Für neue komplexe Aufgabenstellungen wird das Strömungsverhalten in wärmetechnischen Anlagen daher vor der Konstruktion simuliert und der Aufbau der Anlagen an die Simulationsergebnisse angepasst.

Trocknung von Karbonfasern

Ein Beispiel für den Einsatz von computergestützten Strömungssimulationen ist ein aktuelles Projekt, mit der Aufgabenstellung Karbonfasern zu trocknen. Diese Karbonfasern werden für eine Vielzahl an Anwendungen benötigt. Prominente Beispiele sind Flugzeugtragflächen oder die Flügel von Windkraftanlagen.

An diversen Stellen im Produktionsprozess müssen die Karbonfasern getrocknet werden. Hierfür durchlaufen sie Trockner, die im Durchlaufbereich, dem Fadenraum, über eine homogene Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung der Trocknungsluft verfügen müssen. Damit wird die gleichmäßige Trocknung aller Fasern sichergestellt. Der Trockner trocknet eine Fadenschar bestehend aus einer Vielzahl von Einzelfäden auf eine maximale Restfeuchte von < 0,1%. Die Beheizung der Trockner erfolgt im vorliegenden Anwendungsfall über Thermalöl. Die Trockner selbst bestehen aus mehreren weitestgehend baugleichen Trocknungszonen.

Aufgrund der Anforderungen an das Temperatur- und Geschwindigkeitsprofil in den Trocknern wurde in Zusammenarbeit mit der FH Münster (http://www.fh-muenster.de) das Strömungsverhalten in der Anlage simuliert.

Simulationsergebnisse

Auf Grundlage der Strömungssimulation wurden Detailverbesserungen am Trockner durchgeführt. Durch konstruktive Maßnahmen konnte die Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilung sehr homogen gehalten werden. Eine optimierte Temperaturverteilung auf der Thermalölseite wurde im Wärmetauscher durch mehrfache Kreuz-Gegenstrom-Fahrweise realisiert. Dadurch erfolgt ein gleichmäßiger Wärmeübergang auf den Luftstrom.

Simulationsergebnisse der Geschwindigkeitsverteilung sind in nebenstehender Abbildung dargestellt. Auf der linken Seite ist die Simulation des Strömungsprofils vor den konstruktiven Optimierungen dargestellt. Man kann erkennen, dass die Fäden in der Mitte des Trockners einer geringeren Geschwindigkeit ausgesetzt sind (blauer Bereich). Die Karbonfasern werden dann ungleichmäßig getrocknet. Das rechte Bild zeigt die Simulation der Strömungsgeschwindigkeiten nach spezifischen Optimierungen. Beispielhaft seien hier Abschrägungen an der druckseitigen Luftverteilungseinrichtung vor Eintritt in den Fadenraum des Trockners erwähnt. Man kann eine deutliche Homogenisierung des Strömungsverlaufs erkennen.

Theorie und Praxis

Die Simulationsergebnisse sind über Messungen empirisch bestätigt worden. Die Variation der Strömungsgeschwindigkeit befindet sich nicht nur im Bereich der simulierten Toleranz von ± 5%, sondern ist mit einer maximal gemessenen Abweichung von ± 3% sogar besser als der theoretische Wert.

Neben strömungstechnischen Verbesserungen konnte auf Grundlage der Simulationsergebnisse eine sehr kompakte Bauweise realisiert werden. Es lässt sich eine Reduzierung der Montageaufwendungen durch das kompakte Design auf ca. 50% im Vergleich zur herkömmlichen Bauweise, die eine Höhe von 6 Meter aufweist, erreichen. Aus dem kompakten Aufbau ergeben sich zusätzlich Materialeinsparungen von ca. 25% und geringere Transportkosten.