2005 - Vorhersage des Druckverlustes von Zyklonen durch kombinierte Anwendung von numerischer Strömungssimulation (CFD) und chemometrischen Methoden


Zyklone sind Geräte, die eine durch einen rotierenden Gasstrom generierte Zentrifugalkraft anwenden, um Partikel oder Tropfen vom Trägergas zu trennen. Das Strömungsfeld in Zyklontrennapparaten beeinflusst den Abscheidegrad und den Druckverlust. Da sich der Druckverlust direkt auf die Betriebskosten auswirkt, versucht man Reibungsverluste zu minimieren. In dieser Arbeit wurde der Druckverlust von Tropfenabscheidern durch den Einsatz von Einbauten unterhalb des Austrittsrohres (angewandt durch Vogelbusch GmbH) um 50% verringert.
 

Das Strömungsfeld im Zyklon ändert sich durch die Applikation dieser Einbauten grundlegend. Bekannte empirische Korrelationen überschätzen den Druckverlust der betrachteten Geometrie. Für korrekte Anlagenauslegungen sind genaue Vorhersagen des Druckverlustes sehr wichtig. Aus diesem Grund wurden unter Verwendung von Daten aus der CFD und mit den Methoden der multivariaten Datenanalyse empirische Korrelationen entwickelt.

Um den Einfluss verschiedener Geometrieparameter auf den Druckverlust zu bestimmen, wurden 166 CFD-Simulationen automatisiert ausgeführt. Für die Geometriegenerierung wurden Skripts geschrieben. Die Berechnungen wurden mit dem kommerziellen CFD-Code Fluent und dem Preprozessor Gambit ausgeführt. Die wichtigsten Ergebnisse der Parametervariation (Geometrieparameter, die durchschnittliche Eintrittsgeschwindigkeit v und die Gasdichte) waren partielle Druckverluste (p12 and p23) des Apparates.


Figure 1: Cyclonic droplet separator geometry and considered parameters.


Regressionsmodelle für den Druckverlust wurden aus geometrischen Parametern abgeleitet. Weitere Eigenschaften wurden als dimensionlose Verhältniszahlen zu den grundlegenden Parametern hinzugefügt. Der Druckverlust kann theoretisch ausgedrückt werden als Δp=c0x1c1x2c2..., wobei x1, x2, ... Geometrieparameter oder abgeleitete Eigenschaften sind und c0, c1, c2, ... Modellparameter repräsentieren.

Über 75% der vorhergesagten Druckverluste unterscheiden sich um weniger als 10% von den durch CFD bestimmten werden, 55% der vorhergesagten Werte haben einen Fehler unter 5%.

Die Anwendung von chemometrischen Methoden auf Simulationsergebnisse der CFD ist ein vielversprechender Ansatz um Gleichungen zu finden, welche das Verhalten von komplexen Gasströmungen und den Zusammenhang zwischen Geometrie und Strömung beschreiben. Solche Modelle erlauben die rasche Abschätzung des Druckverlustes. Eine CFD Simulation braucht im Vergleich dazu mehrere Stunden. Um die Anwendbarkeit und Verlässlichkeit der Modelle für den Druckverlust zu verbessern, sollten die Druckverluste weiterer Geometrievariationen in die Datenbank aufgenommen werden. Andere Modelle für den Druckverlust werden in Zukunft analysiert werden.

Wir danken dem Beitrag und der finanziellen Unterstützung der Firma Vogelbusch GmbH.

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