Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verbesserte Beschreibung der Staubfreisetzung aus Schüttgütern unter mechanischer und strömungsseitiger Beanspruchung durch weiterentwickelte partikelspezifische Staubablösefunktionen mittels eines numerisch/experimentellen Ansatzes

Staub liegt oftmals als anhaftende Feinfraktion als Teil eines gröberen Schüttgutes vor und kann bei mechanischer Beanspruchung oder gasseitiger Umströmung abgelöst werden. Unter den Aspekten des Umwelt- und Gesundheitsschutzes ist es besonders für KMUs von äußerster Wichtigkeit das Ausmaß von diffusen Staubemissionen zu beurteilen. Für einzelne Anwendungsfälle gibt es bereits einfache Rechenvorschriften, die es erlauben Staubemissionen in der Praxis abzuschätzen. Allerdings sind diese fehleranfällig, da beispielsweise zur Bestimmung eines Staubungsparameters die Staubungsneigung visuell bestimmt werden muss. Aktuell sind moderne 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 wirkungsvoll dargestellt werden sowie mittels geeigneter Staubablösefunktionen auch der Staubaustrag beschrieben werden. Die in der DEM/CFD bisher nutzbaren und überhaupt bekannten partikelspezifischen Staubablösefunktionen fußen auf stoffspezifischen Faktoren, die die Staubungsneigung des Schüttgutes empirisch in Abhängigkeit physikalisch nicht eindeutig verifizierter Zusammenhänge spezifizieren und die Nutzbarkeit der DEM/CFD derzeit einschränken. Ziel des Vorhabens ist es die Lücke der partikelspezifischen Staubablösefunktionen zu schließen. Hierfür sind eng verzahnte experimentelle (AG Schmidt) und numerische (AG Kruggel-Emden) Untersuchungen nötig, die die Ablösung einzelner Feingutpartikel vom Grobgut betrachten. Auf Basis der neu entwickelten Staubablösefunktionen werden mit der aus AiF 19411 N bewährten Methodik sowie experimenteller Aufbauten weitere Rechenvorschriften zur Bestimmung der Staubfreisetzung abgeleitet, die es im Hinblick auf stetig steigende Vorschriften zum Immissionsschutz vor allem KMUs erlauben Staubemissionen mit einem einfachen, umfassenden Werkzeug abzuschätzen.

Ergebniszusammenfassung:

Systematische Prozessauslegung: Der entwickelte/validierte Simulationsrahmen, basierend auf der DEM/CFD, ist so beschaffen, dass er unmittelbar industriell eingesetzt werden kann, mit kommerzieller Software realisierbar ist und eine Alternative zu experimentellen Untersuchungen, Prüfverfahren und empirischen Richtlinien darstellt. Mit den in diesem Projekt deutlich verbesserten, kraftbasierten Staubablösefunktionen, welche die stofflichen Eigenschaften der Pulver/Staubphase widerspiegeln, kann die Staubablösung auf physikalischer Ebene abgebildet werden. Ein weiterer Vorteil zu herkömmlichen Staubfreisetzungsfunktionen ist, dass neben der Quellstärke ebenfalls Aussagen zur emittierten Partikelgröße möglich sind, welche für die Bewertung gesundheitlicher Aspekte maßgeblich sind.

Anwendung empirischer Rechenmodelle zur Staubfreisetzung: Mit der Simulationsmethodik lassen sich klassische Modellsysteme (z. B. offene Halden, freier Abwurf) untersuchen, die dann Erkenntnisse für die Ableitung von Rechenvorschriften liefern. Diese können in Zukunft einen Beitrag zur Weiterentwicklung dieser leisten und bestenfalls Richtlinien wie die VDI 3790 Blatt 3 ergänzen und somit direkt in der Industrie Anwendung finden.

Weiterentwicklung der experimentellen Methodik: Die entwickelte Methodik kann ergänzend zu häufig verwendeten Staubmessgeräten weitere Informationen zur Staubungsneigung liefern. Es wäre wünschenswert die Ergebnisse in einem anschließenden Projekt auf weitere von KMUs eingesetzte Schüttgüter zu übertragen und Versuche mit geringen Schüttgutmengen mit experimentellen Staubmessverfahren (Fallapparatur, Rotationsverfahren) zu kombinieren.

Etablierung der Simulationsmethodik: Mit der Weiterentwicklung des numerischen Verfahrens kann im Bereich von Ingenieurbüros oder Dienstleistern, der Geschäftsbereich der Simulation von „Staubvorhersage“ bzw. „Staubausbreitung“ stärker etabliert werden.