Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines adaptierbaren, semianalytischen Berechnungswerkzeuges zur Charakterisierung des thermodynamischen und reaktionstechnischen Verhaltens von mittels Düsen injizierten Einsatzstoffen zur Auslegung verfahrenstechnischer Prozesse.

Mithilfe von Sprays und Tropfenclustern werden wesentliche Bestandteile der verfahrenstechnischen Wertschöpfungskette realisiert. Herkömmliche CFD-Simulationen oder experimentelle Untersuchungen zur Auslegung derartiger Prozesse aber sind teuer und es können im Allgemeinen keine umfassenden Parameterstudien angefertigt werden, da der Aufwand insbesondere für KMU unverhältnismäßig hoch ist. An dieser Stelle knüpft mit dem geplanten „Spraycalc“-Programm ein neuartiges Auslegungswerkzeug an, welches auf Basis IT-ressourceneffizienter semianalytischer Berechnungsalgorithmen die ortsaufgelöste Freisetzung von Spraykomponenten sowie ggf. chemische Reaktionsprodukte berechnet. Auf Basis dieser vereinfachten Herangehensweise werden mit einer CPU derzeitig Rechenzeiten von unter einer Sekunde und dennoch sehr aussagekräftige Ergebnisse erzielt. Die Grundhypothese des momentan bereits vorliegenden Modells lautet, dass ein Spray anhand einer Vielzahl skalierbarer Einzeltropfenbahnkurven beschreibbar ist, deren Interaktion durch effektive Widerstandbeiwerte und Schwarmeffekte berücksichtigt werden kann. Das Modell beinhaltet die vier Hauptbestandteile örtliche Diskretisierung, die Aufstellung der Tropfentrajektorien, das Verdampfungsverhalten sowie nach Bedarf den chemischen Umsatz. Dabei wird eine Vielzahl von Eingangsparametern einbezogen. Als Resultat wird dem Benutzer ein leicht zu bedienendes und schnell rechnendes Hilfsmittel bereitgestellt, das auf eine Vielzahl von Anwendungsfällen zu übertragen ist und eine breite Palette von Eingangsgrößen berücksichtigt. Damit ist es für umfangreiche Parametervariationen und die Optimierung von Steuerungsprozessen prädestiniert.

Für KMU ergeben sich daraus ein erhebliches Einsparpotential an Fremdleistungen in Verbindung mit Knowhow-Schutz bzw. entsprechende Zeitersparnis in der Fachabteilung sowie eine höhere Auslegungsgüte, da deutlich mehr Szenarien berücksichtigt werden können.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projektes wurde ein Berechnungswerkzeug zur Bestimmung des Stoffeintrags von Sprays entwickelt. Durch einen semianalytischen Berechnungsansatz sind, verglichen mit herkömmlicher CFD-Software, für die Lösung relevanter Problemstellungen kurze Rechenzeiten erforderlich. Für die Optimierung der Betriebsweise von Sprühprozessen unter Berücksichtigung sich ändernder Randbedingungen (bspw. optimierte Steuerung der Additiveindüsung in SNCR-Anlagen unter Berücksichtigung der aktuellen Abgaszusammensetzung) stellt das Berechnungswerkzeug einen wesentlichen Lösungsbestandteil dar.

Aktuell bestehen Bestrebungen, das entwickelte Spraymodell an realen SNCR-Anlagen einzusetzen, um den Additiveinsatz prozessbegleitend zu reduzieren und trotzdem die NOx-Grenzwerte einzuhalten. Hierzu wurde Kontakt zu den Betreibern eines MHKW‘s sowie zweier Biomasse-Heizkraftwerke aufgenommen. Von diesen wurden bereits erste Daten zur Verfügung gestellt. Die konkrete Umsetzung befindet sich gegenwärtig in Planung. Ein entsprechend erweiterte Modellierung wird Inhalt der Dissertation von Herrn Beerbaum an der TU-Dresden werden.

Es wurde eine Übersicht existierender Zerstäuberbauarten inkl. der typischen Sprayeigenschaften erstellt und den Mitgliedern des PA zur Verfügung gestellt.

Bei den Sprayversuchen mit Düse 2 ist festgestellt worden, dass ein Verzicht auf den Impeller flüssigseitig möglich ist. Dadurch fällt die Verstopfungsneigung der Düse im Suspensionsbetrieb weg und ein stabilerer Betrieb ohne Verstopfung bei quasi konstant feiner Zerstäubung ist möglich. Ein weiterer Punkt ist die Dosierung der Fluide (insbesondere Suspensionen) über die vom KIT genutzten Exzenterschneckenpumpe. Im Vergleich zu Kolbenpumpe ist ein deutlich ruhigerer und quasi pulsationsfreier Betrieb der Düsen möglich, was sich positiv auf die Produktqualität auswirken sollte. Ein Probebetrieb mit Exzenterschneckenpumpen wird von einem Mitglied des projektbegleitenden Ausschusses aktuell geplant.