Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Weiterentwicklung von Staubfreisetzungsfunktionen zur Beschreibung des Staubaustrags aus Schüttgütern mittels eines numerisch/experimentellen Ansatzes

Die Staubungsneigung ist die Eigenschaft eines Stoffes, bei Beanspruchung eine Staubfraktion freizusetzen. Der Staub ist dabei oft Teil gröberen Schüttguts, der erst beim Umschlag oder dem Transport freigesetzt wird. Hierbei sind die Höhe und die Dauer des Energieeintrages in das Gut entscheidend. Die Beschreibung der Staubfreisetzung geschieht in der industriellen Praxis insbesondere bei KMUs bisher empirisch; für wichtige Anwendungsfälle sind Rechenvorschriften verfügbar. Diese bieten die Möglichkeit Staubemissionen abzuschätzen. Die Rechenvorschriften erfordern schüttgutspezifisch die Staubungsneigung vorzugeben, was fehlerträchtig sein kann. Außerdem sind Anwendungsfälle, die von den gelisteten abweichen, nicht abgedeckt.

Aktuell sind numerische Ansätze, wie die Diskrete Elemente Methode (DEM), in der Lage, Partikelsysteme mit einer großen Anzahl an Partikeln abzubilden. Durch die Anbindung der DEM an die numerische Strömungssimulation (CFD) kann auch die Partikel-/Fluidinteraktion berücksichtigt werden. Auch die Anwendung der DEM/CFD auf die Beschreibung der Staubausbreitung ist möglich, wobei die Staubentstehung mittels eines Energieansatzes abgebildet wird. Damit hat die DEM/CFD das Potential auch dazu genutzt zu werden, für die industrielle Praxis Rechenvorschriften abzuleiten, die sonst nur durch experimentelle Untersuchungen für eine spezielle Schüttgutkonstellation zugänglich wären. Der Aufbau einer solchen Methodik, um die DEM/CFD zur Ableitung/Weiterentwicklung von Rechenvorschriften für bisher unzureichend abgedeckte Anwendungsfälle oder Materialien heranzuziehen ist Ziel des hiesigen Vorhabens. Eng verzahnt erfolgen experimentelle (AG Schmidt) und numerische Untersuchungen (AG Kruggel-Emden). Abgeleitete Rechenvorschriften werden es insbesondere KMUs erleichtern, die immer strenger werdenden Vorschriften zum Gesundheits- und Umweltschutz einzuhalten und maßgeschneiderte Konzepte zum Umgang mit Staubfreisetzung zu entwickeln.

Ergebniszusammenfassung:

Systematische Prozessauslegung: Der entwickelte/validierte Simulationsrahmen basierend auf der DEM/CFD ist so beschaffen, dass er industriell einsetzbar und mit kommerzieller Software realisierbar ist und so eine Alternative zu exp. Untersuchungen darstellt, auf die bisher zur Aufklärung der Staubfreisetzung zurückgegriffen wurde. In der Planung können Staubemissionen vorausgesagt werden und maßgeschneiderte Konzepte gezielt gestaltet werden, wodurch sich die Wettbewerbsfähigkeit steigern lässt. Mit der Simulationsmethodik lassen sich neben speziellen Fragestellungen auch klassische Modellsysteme untersuchen, die dann Erkenntnisse für die Ableitung von Rechenvorschriften liefern.

Anwendung von Staubfreisetzungsfunktionen: Die untersuchten Belastungsfälle aus num. sowie exp. Sicht liefern Erkenntnisse, die die aktuellen Richtlinien erweitern und in der Industrie Anwendung finden können und einen wichtigen Beitrag zur Weiterentwicklung dieser leisten können.

Weiterentwicklung exp. Methodik: Die entwickelte Methodik weist nach, dass aus den klassischen Staubmessgeräten neben den herkömmlichen Daten auch weitere Informationen zur Staubfreisetzung und zur Staubungsneigung des untersuchten Materials gewonnen werden können. Mit diesen Ansätzen ließen sich zukünftig weitere Informationen für von KMUs eingesetzte Schüttgüter gewinnen, die sich wiederum zur Weiterentwicklung der Simulationsmethode eignen.

Etablierung der Simulationsmethodik: Mit der Weiterentwicklung des num. Verfahrens kann im Bereich von Ingenieurbüros oder -dienstleistern der Geschäftsbereich der Simulation von „Staubvorhersage“/„Staubausbreitung“ stärker etabliert werden.

Die Ergebnisse werden in einem Anschluss-Projekt (AiF 20974N) weitergehend ergänzt. Ziel ist die Fortführung der Entwicklung von Rechenvorschriften sowie die Betrachtung der Staubquellterme auf physikalisch verifizierter Einzelpartikelebene, die dazu führt die diffusen Staubquellen direkt über die Materialeigenschaften zu bestimmen.