Effizientere Anlagen durch Strömungssimulation

Modernes Engineering mit großer Wirkung: Steigende Energiekosten lässt Betreiber von Kraftwerken und Großanlagen nach Möglichkeiten zur Energieeinsparung und Wirkungsgradsteigerung suchen. Der Einsatz von CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics) bekommt hier besondere Bedeutung. Mit computergestützten Simulationen werden dreidimensionale Strömungsdaten gewonnen, die Problemstellen und Optimierungsmöglichkeiten sichtbar machen. Basierend auf diesen neuen Erkenntnissen lassen sich Optimierungsvarianten simulieren, die virtuell auf die geplanten Einsparungen und Effekte überprüft werden können.

(industrietreff) - Außerdem können Fehlerquellen, die sonst nur schwer erkennbar sind und oftmals im direkten Zusammenhang mit der Strömungsführung stehen, mit geringem Aufwand aufgedeckt werden. Kostspielige Schadensfälle, Wartungskosten und Einbußen aus Anlagenstillstand können vor dem Bau durch eine Vorab-Prüfung vermieden oder nach dem Bau schnell erklärt bzw. fundiert behoben werden. Die CFD-Simulation ist im Vergleich zu herkömmlichen Testverfahren günstiger und effektiver. Denn besonders bei den im Anlagebau üblichen Einzelanfertigungen, sind Tests bzw. Modelbildungen sehr aufwendig und liefern zudem nur punktuelle Daten. CFD-Analysen hingegen liefern ein dreidimensionales, umfassendes Strömungsverständnis durch Daten an allen Punkten für alle relevanten Strömungseigenschaften. Da die Anlagen mit ihren realen Maßen simuliert werden können, treten zudem keine Scale-up Effekte auf.

Auf die richtige Verteilung kommt es an
Ein sehr verbreitetes Strömungsproblem, das die meisten Industriezweige trifft, ist die ungleichmäßige Aufteilung von Strömungen bzw. die unterschiedliche Beaufschlagung gleicher Systemteile. Probleme treten dann auf, wenn beispielsweise Filterelemente unterschiedlich schnell verstopfen (Wartungskosten) oder bei nebeneinander gereihten Reaktoren, einer überhaupt nicht mehr arbeitet. Bei Filterkolonnen als auch bei Separatoren können einzelne Reaktoren bzw. Filterkerzen mit stark unterschiedlichen Geschwindigkeiten durchströmt sein, obwohl die Systemteile von einer gemeinsamen Zuleitung beaufschlagt werden.

Energiesparen durch CFD-Simulation
Für die Erweiterung von Kapazität oder zur Steigerung von Energieeffizienz, müssen bestehende Kraftwerke und Anlagen meist erheblich umgebaut werden. Bei einem Kohlekraftwerk beispielsweise, hätte eine Erhöhung des Durchflusses theoretisch zwar durch stärkere Ventilatoren erreicht werden können, diese hätten aber die physikalische Belastbarkeit des Designs überfordert und zu nicht tragfähigen Energiekosten geführt. Bei bestehenden Anlagen kann lediglich eine Verringerung des Druckverlustes zu einer Effizienzsteigerung sowie zur Energiekostenreduktion führen. Druckverluste sind hauptsächlich auf Durchflusswiderstände an Krümmern, Leitschaufeln, Strömungsvereinigungen und -teilungen zurückzuführen. Durch eine umfassende CFD-Analyse der Frischluftzufuhr können Druckhochs gefunden und eine Druckverlustreduktion durch den Einbau von Leitblechen und anderen Geometrieoptimierungen erreicht werden.

Immun gegen Kavitation
Kavitation ist ein physikalisches Phänomen, das viele Branchen betrifft. Jedoch wirkt sie sich im Anlagenbau besonders drastisch aus, da hier erstens sehr hohe Drücke vorliegen und zweitens ein Austausch der beschädigten Komponenten oft nur bei einem kostenintensiven Anlagenstillstand möglich ist. Die Entstehung von Kavitation und das Ausmaß ihrer Schädigung hängen von vielen Parametern wie Strömungswiderstände, Durchflussgrößen und Fluidzusammensetzung ab. Mit CFD-Simulation können exakt für diese Parameter die jeweilig kritischen Stellen gefunden werden. Durch virtuell erprobte Geometrievariationen wird anschließend die optimale Strömungsführung ermittelt, die keine lokalen Druckhochs zulässt, und somit ein Bauteil unempfindlich, also immun gegen Kavitation macht.

Bei einer Kraftwerksanlage, beispielsweise, kam es in regelmäßigen Abständen durch Kavitation zu Betriebsstillstand. Additive lagerten sich immer wieder an einer bestimmten Stelle ab und verursachten wiederholt Wartungs- und Ausfallkosten. Lange war dem Ingenieurteam nicht ersichtlich, warum ausgerechnet an dieser Stelle Ablagerung entstanden und vor allem wie sie effektiv behoben werden konnten. Mehrere Umbauten erzielten keine wesentlichen Verbesserungen. Eine CFD-Analyse des Systemabschnitts untersuchte die Strömungsverhältnisse im Detail und offenbarte die Problemursache: Eine ungünstige Strömungsführung, die zur Wirbelbildung und damit zur Ablagerung an eben dieser Stelle führte. Durch virtuelle Variationen verschiedener Führungsbleche, konnte eine optimale Strömungsführung ermittelt und die Anlage mit Erfolgsgarantie umgebaut werden. Sie läuft nun nahezu wartungsfrei und weist zusätzlich einen verminderten Druckverlust auf.

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Datum: 08.05.2014 - 12:19 Uhr
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