Dieser Arbeit befasst sich mit dem industriellen Produktionsverfahren von Aerosolen bei industriellen Produktionsverfahren und deren notwendiger Abscheidung aus dem Luftstrom.
In dieser Abschlussarbeit wird besonders die Eignung des CFD (Computational Fluid Dynamics) Simulationsprogrammes "STAR CCM+" im Hinblick auf die Simulation eines Ölabscheiders als Filterpatrone untersucht. Dabei soll die Abscheidung von Ölnebel und Emulsionsnebel, sowie der einhergehende Druckverlust bei Betrachtung der Makroskala untersucht werden.
Außerdem wird ein geeignetes Filtermaterial gesucht, welches die geforderten Randbedingungen von der Firma "Junker Filter" erfüllt. Ziel dieser Arbeit ist es somit, mithilfe von CFD-Simulationen einen Filter zu entwickeln, welcher eine sehr hohe Abscheidung des Ölnebels bei geringem Druckverlust mit realistischen Filtermaterialdaten ermöglicht.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Problemstellung und Ziel der Arbeit
1.2 Randbedingungen zur Filterentwicklung
2. Theoretische Grundlagen
2.1 Dichte
2.2 Viskosität
2.3 Poröse Medien
2.3.1 Darcy-Gesetz
2.3.2 Permeabilität
2.3.3 Sättigung
2.4 Grundlagen STAR-CCM+
2.4.1 Benutzeroberfläche STAR-CCM+
2.4.2 Erstellung einer Geometrie
2.4.3 Erstellung eines Meshes
3. Virtuelle Filtermodelle
3.1 Homogenes 2D-Filtermodell
3.1.1 Erstellung der Filtergeometrie
3.1.2 Festlegung physikalischer Grenzen
3.1.3 Erstellung des Meshes
3.1.4 Ermittlung physikalischer Modelle
3.1.5 Definierung physikalischer Parameter und Variablen
3.1.6 Ergebnisse und Auswertung: Filterversuch Nr.1
3.1.7 Einfluss Volumenanteil von Öl auf Druckverlust
3.2 Optimierung der 2D-Simulation
3.2.1 Erstellung Geometrie und Mesh
3.2.2 Definierung physikalisches Modell und Parameter
3.2.3 Variation Parameter für poröses Medium
3.2.4 Ergebnisse und Auswertung: Filterversuch 2
3.3 3D-Filtermodell
3.3.1 Erstellen 3D-Filtermodell
3.3.2 Ergebnisse und Auswertung: Filterversuch Nr.3
4. Auswahl reales Filtermaterial
5. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Eignung der CFD-Software „STAR-CCM+“ zur Simulation der Abscheidung von Ölnebeln in Filtern, um die Filterentwicklung hinsichtlich Druckverlust und Abscheidungsleistung mittels virtueller Simulationen zu optimieren.
- Simulation der Ölabscheidung in industriellen Produktionsprozessen
- Einsatz und Anwendung der CFD-Software STAR-CCM+
- Modellierung von porösen Medien und Filtergeometrien
- Analyse des Einflusses von Volumenanteilen und Schichtaufbau auf den Druckverlust
- Identifikation und Auswahl geeigneter realer Filtermaterialien
Auszug aus dem Buch
1. Einleitung
Durch den steigenden Ausstoß von Aerosolen (flüssige oder feste Stoffe in Gasen), welcher hervorgerufen wird durch den steigenden Einsatz industrieller Produktionsverfahren (z.B. Werkzeugmaschinen), ist es unerlässlich geworden, einen großen Teil dieser Stoffe von dem Gas abzuscheiden. Denn diese Luftverschmutzung wirkt sich zum einen direkt auf die Umwelt, zum anderen auch auf die Gesundheit des Menschen aus und muss somit so gering wie möglich ausfallen. Um dies zu verringern, wurde 1986 die Gefahrenstoffverordnung (GefStoffV) erlassen, welche eine Gefährdungsbeurteilung darstellt (vgl. [1] und [2]). Dabei wird die ausgehende Gefährdung eines Stoffes, durch physikalisch-chemische Eigenschaften und toxische Eigenschaften auf Beschäftigte bei der Ausübung einer Tätigkeit betrachtet. In der GefStoffV bestimmt der Arbeitsplatzgrenzwert (AGW) die durchschnittliche Konzentration eines Stoffes am Arbeitsplatz bei einer 40 Stundenwoche auf Lebenszeit, wobei keine Gesundheitsgefährdungen für den Arbeitnehmer zu erwarten sind (vgl. [3]). Um diesen Grenzwert nicht zu übersteigen, als auch die generelle Belastung von Aerosolen so gering wie möglich zu halten, werden diese mithilfe einer Phasentrennung aus dem Gasstrom abgeschieden. Diese Phasentrennung wird oft mithilfe von Filtern umgesetzt.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Dieses Kapitel erläutert die Problematik von Aerosolen in industriellen Prozessen sowie das Ziel der Arbeit, mittels CFD-Simulationen die Filterentwicklung zu optimieren.
2. Theoretische Grundlagen: Hier werden die physikalischen Basisparameter wie Dichte, Viskosität und die Modellierung poröser Medien sowie die grundlegende Nutzung von STAR-CCM+ vermittelt.
3. Virtuelle Filtermodelle: In diesem Hauptteil werden verschiedene 2D- und 3D-Filtermodelle in STAR-CCM+ erstellt, simuliert und deren Ergebnisse hinsichtlich Druckverlust und Volumenverteilung ausgewertet.
4. Auswahl reales Filtermaterial: Auf Basis der Simulationsergebnisse wird hier nach einem realen Filtermaterial gesucht, das die theoretisch ermittelten Anforderungen erfüllt.
5. Zusammenfassung und Ausblick: Dieses abschließende Kapitel fasst die gewonnenen Erkenntnisse zusammen und gibt Vorschläge zur weiteren Optimierung der Simulationsmodelle.
Schlüsselwörter
CFD-Simulation, STAR-CCM+, Ölnebelabscheidung, Poröse Medien, Druckverlust, Filterentwicklung, Aerosole, Phasentrennung, Strömungsmechanik, Filtermaterial, Volumenverteilung, Mehrphasenströmung, CFD-Software, Abscheidegrad, Strömungssimulation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der virtuellen Entwicklung und Optimierung von Ölfiltern mittels numerischer Strömungssimulation (CFD) unter Verwendung der Software STAR-CCM+.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Zentrale Themen sind die physikalische Modellierung von porösen Filtermaterialien, die Simulation von Zwei-Phasen-Gemischen (Luft und Öl) und die Analyse von Druckverlusten in Filtereinheiten.
Welches primäre Ziel verfolgt die Forschungsarbeit?
Ziel ist es, ein CFD-gestütztes Simulationsmodell zu entwickeln, das realistische Vorhersagen über das Strömungsverhalten und den Druckverlust in Ölfiltern ermöglicht, um so die Entwicklung realer Filter zu unterstützen.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär eingesetzt?
Es wird die Methode der Computational Fluid Dynamics (CFD) angewendet, konkret das „Eulerian-Multiphase-Model“ in STAR-CCM+, um laminare Zwei-Phasen-Strömungen zu berechnen.
Was wird im umfangreichen Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Erstellung verschiedener 2D- und 3D-Modelle, deren Randbedingungen, die Parametrisierung der porösen Medien sowie die detaillierte Auswertung der Simulationsergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren diese Arbeit?
Wichtige Begriffe sind unter anderem CFD-Simulation, Ölnebelabscheidung, Druckverlust, Poröse Medien, Mehrphasenströmung und Filtermaterialanalyse.
Warum ist die Modellierung der "Drainageschicht" für die Optimierung wichtig?
Die Drainageschicht soll in den 2D- bzw. 3D-Modellen gezielt den Ölfluss beeinflussen, um den Abscheidegrad zu erhöhen und eine Akkumulation von Öl an kritischen Stellen zu verhindern.
Was ergab der Vergleich zwischen dem theoretischen Modell und einem realen Material?
Die Simulationen lieferten theoretische Zielwerte für den viskosen Widerstandswert, auf deren Basis ein spezifisches Filtermaterial („Sawatex 5357“) identifiziert wurde, das die Anforderungen weitgehend abdeckt.
Welche Rolle spielt der Druckverlust bei der Simulation?
Der Druckverlust ist ein kritisches Randbedingungs-Kriterium (max. 450 Pa), an dem die Qualität der Filterkonfiguration gemessen wird, um einen effizienten Betrieb in der Anlage zu gewährleisten.
- Arbeit zitieren
- Christian Roth (Autor:in), 2017, Wie kann ein gereinigter Luftstrom bei industriellen Prozessen erreicht werden?, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/451327
