Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung und Erprobung eines Modellrahmens zur prädiktiven Aufklärung von erosivem Verschleiß in pneumatischen Förderungen

Erosion ist ein Phänomen, das insbesondere in pneumatischen/hydraulischen Förderungen ein schwerwiegendes Problem darstellt, da in diesen hohe Geschwindigkeiten der Schüttgutmaterialien vorliegen. Gerade bei der Umlenkung von Partikeln erfahren diese intensiven Kontakte mit den Wänden, was häufig zum Verschleiß führt. Maßnahmen zur Verschleißreduzierung erfolgen bisher meistens empirisch. Kopplungen der Diskreten Elemente Methode (DEM) mit Verfahren zur numerischen Strömungssimulation (CFD) erlauben es Förderzustände in pneumatischen Förderungen insbesondere bei hoher Partikelbeladung zu beschreiben und im Detail zu verstehen. Auch das Verhalten von Partikeln in Krümmern, die hier dichte Strähnen ausbilden, kann damit für beliebige Partikelformen untersucht werden. CFD-DEM Simulationen können prinzipiell mit entsprechenden Modellen zum erosiven Verschleiß gekoppelt werden, die duktiles/sprödes Materialverhalten abbilden. Bisher ist dieser Schritt noch nicht auf der Skala der Prozessebene erfolgt; auch die numerischen Verfahren und Teilmodelle sind bisher unzureichend numerisch abgesichert; erst dies ermöglicht es jedoch, Verschleiß beim pneumatischen Transport in Zukunft zuverlässig vorhersagen zu können. Ziel des Vorhabens ist die Schaffung eines umfassenden Lösungsansatzes für kleine und mittlere Unternehmen (KMU), die für ihre jeweilige Problemstellung im Bereich erosiver Strömungen und Prozesse nach gezielten Lösungen suchen. Der hier verfolgte Lösungsansatz setzt sich aus drei Komponenten zusammen: (I) Der experimentellen Bestimmung der relevanten Messgrößen zur Kalibrierung der Modellparameter, (II) der numerischen Simulation zur Optimierung von Geometrie und Prozessführung, und (III) der Zusammenführung in einen mehrskaligen Modellrahmen, wobei am Ende dieses Forschungsvorhabens zusätzlich ein einfaches numerisches Modell stehen soll, mit dem die KMUs grundsätzlich in die Lage versetzt werden, Verschleißprozesse prädiktiv abschätzen zu können.

Ergebniszusammenfassung:

In mikroskaligen Experimenten wurden Stähle und Kunststoff auf ihre Verschleißbeständigkeit gegen runde und kantige Glaspartikel getestet. Die nichtrostenden Stähle 1.4301 und 1.4404 zeigten die besten Verschleißbeständigkeiten, gefolgt von 1.4571, während Baustahl 1.0576 der anfälligste Stahl war. POM zeigte einen um Faktor 10 größeren Verschleiß, als Baustahl. Glasbruch verursachte einen deutlich stärkeren Verschleiß als Glaskugeln. Die Ergebnisse sind wichtig für die Werkstoffauswahl in Förderanlagen, um mögliche Wartungskosten zu minimieren.

Mikroskalige numerische Simulationen bestätigen die gemachten Beobachtungen und ermöglichen eine präzise Darstellung des Aufpralls von Partikeln mit unterschiedlicher Form. Basierend auf den Simulationen konnte ein gängiges Verschleißmodell nach Oka modifiziert werden, so dass dieses den Einfluss der Partikelform auf den Verschleiß nun explizit berücksichtigt und möglichen industriellen Einsatz erfahren kann.

Verschleißmodelle konnten auf makroskaliger Ebene im Rahmen der DEM-CFD Methode dazu genutzt werden u. a. experimentelle Ergebnisse an einem pneumatischen Düngestreusystem erfolgreich numerisch nachzubilden. Numerische Untersuchungen wurden dafür durch experimentelle begleitet und eine Farbabtragsmethode zur experimentellen Verschleißcharakterisierung erprobt. Möglichkeiten der Verschleißminderung in pneumatischen Förderanlagen wurden betrachtet, darunter insbesondere spezielle Umlenkungen. Simulationen unter verschiedenen Prozessbedingungen wurden durchgeführt, um die Wirksamkeit der Umlenkungen zu analysieren. Als Kriterien wurden auch der Druckverlust und die Partikelbeanspruchung der jeweiligen Geometrien betrachtet, sodass eine ökonomische Einordnung auch bei der Nutzung durch KMU möglich wird.

Weiterhin wurde ein Prozessmodell zur Abschätzung von Erosion realisiert und getestet, das eine kostengünstige Abschätzung der Verschleißminderung in Zukunft in der Industrie u. a. auch bei KMU erlauben kann.