Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Experimentell gestützte Basismodelle für die industriegerechte numerische Reinigungssimulation (Basismodelle Reinigungssimulation - BaRes)

Regelmäßige und reproduzierbare Reinigungen werden mit automatisierten und fest in der Maschine installierten Nassreinigungsgeräten durchgeführt (Cleaning in Place, CIP-Reinigung). Mangels geeigneter Auslegungswerkzeuge zur Optimierung wird häufig eine Überdimensionierung des Reinigungsprozesses in Kauf genommen. Dies führt zur Minderung der Produktivität und einer umweltbelastenden Verschwendung von Wasser, Chemikalien und Energie.

Ziel des Projektes ist es, für die verschiedenen Reinigungsmechanismen von Verschmutzungen geeignete numerische Modelle zu entwickeln bzw. weiterzuentwickeln, die sich durch eine gute Vorhersagequalität bei der Bestimmung der Reinigungsdauer sowie für KMU praktikable Rechenzeiten auszeichnen. Der vorgesehene Lösungsansatz kombiniert dazu eine Strömungssimulation (CFD) des Reinigungsfluides für eine beliebige Gestalt des Reinigungsgutes mit einer Randbedingung, die das Verhalten der Verschmutzung modelliert. Dies ist Voraussetzung dafür, zukünftig durch numerische Simulationen eine Optimierung für eine große Bandbreite an Reinigungsvorgängen durchzuführen. Die versagensartspezifischen Modelle sollen unter Nutzung der in früheren Projekten gewonnenen Erkenntnisse und Messdaten, ergänzt durch weitere experimentelle und numerische Untersuchungen, an geometrisch einfachen Testfällen entwickelt und erprobt werden.

Eine simulationsgestützte Reinigungsvorhersage ermöglicht den betroffenen Branchen für vielfältige Problemstellungen auf dem Gebiet der Reinigung sowohl eine Verringerung des Aufwands für die Verfahrensentwicklung als auch eine Senkung des Ressourcenbedarfs beim Betrieb des Reinigungsprozesses.

Konkret wird es KMU durch die im Vorhaben erstellten Modelle zur Simulation von Reinigungsprozessen möglich sein, den zeitlichen Reinigungsfortschritt vorherzubestimmen. Dies ermöglicht die Einsparung von Reinigungszeit, Reinigungsmittelverbrauch und Energie bei anhaltend hoher Produktqualität und minimierten Auswirkungen auf die Umwelt.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Projektes war es, für verschiedene Reinigungsmechanismen von Verschmutzungen numerische Modelle zu entwickeln, die eine gute Vorhersage der Reinigungsdauer in für KMU praktikable Rechenzeiten ermöglichen. Der Lösungsansatz kombiniert eine Strömungssimulation für beliebig geformtes Reinigungsgut mit einer Randbedingung, die das Verhalten der Verschmutzung modelliert.

Für das kohäsive Trennen/diffusive Auflösen wurde das Modell um eine Wandfunktion erweitert, da sich Strömungs- und Stofftransportgrenzschicht um eine Größenordnung unterscheiden. Mit einer 32fach reduzierten Auflösung wurde damit die gleiche Vorhersagequalität erreicht.

Für das viskose Verschieben wurde bei Raumtemperatur kein Reinigungserfolg erreicht und eine isotherme Versuchsdurchführung bei höherer Temperatur entspricht nicht der industriellen Praxis. Daher wurden ein Fließmodell mit temperaturabhängigen Koeffizienten erstellt und damit ein Modell zur Reinigungsvorhersage erarbeitet, welches später als Randbedingung implementiert werden kann. Es wurde außerdem begonnen, die instationäre Erwärmung zu berücksichtigen.

Für das adhäsive Abtrennen wurden der Quellvorgang und die Bindungskräfte analysiert und numerisch modelliert. Aus der Diffusion von Wasser in die Schmutzschicht wird der lokale Wassermasseanteil bestimmt. Die Strömungssimulation liefert den wirkenden Druck und die Schubspannungen, aus denen eine Vergleichsspannung berechnet wird. Überschreitet diese die Adhäsionskräfte, kommt es zum Abtrennen. Das Modell wurde anhand der Reinigungszeiten für drei Testfälle erfolgreich validiert.

Mit Blick auf die anspruchsvolle Zielstellung Modelle zu generieren, die ausschließlich mittels Laborversuchen parametriert werden können, wurde das Modell für das adhäsive Abtrennen auf kohäsives Trennen erweitert. Erste Resultate sind vielversprechend. Das Modell stellt damit die Grundlage für die Transition zwischen Reinigungsmechanismen dar, welche im Fokus des Folgeprojektes steht.