Optimierung Strömung in einer Zentrifuge

Wie man die Strömung einer Zentrifuge optimiert.

Erstellt von Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle

06.04.2020

Merkle Partner Partikelstroemung Zentrifuge

Einleitung

Zentrifugen werden eingesetzt, um vermischte Stoffe voneinander zu trennen. Dies können Staubteilchen oder Flüssigkeitstropfen in einem Gas, Suspensionen, Emulsionen oder auch Gemische aus Gasen oder Flüssigkeiten sein.

Zentrifugen machen sich die Fliehkraft zunutze, die dazu führt, dass schwerere Teilchen im Gas oder in einer Flüssigkeit nach außen wandern, ähnlich wie ein Stein aufgrund seiner höheren Dichte im Wasser auf den Boden sinkt. Außen können Sie gezielt dann abgeschieden werden.

Im Gegensatz zum Zyklon, bei dem das Medium (Gas, Flüssigkeit) in Drehung versetzt wird, dreht sich bei Zentrifugen entweder der Behälter oder der Rührer.

Aufgabenstellung / Berechnung

Im vorliegenden Fall sollte Anfang der 2000er das Rührwerk und die Strömung in einer Zentrifuge mit Hilfe der Strömungssimulation optimiert werden.

Ziel in diesem Fall war es , dass Partikel in einem Fluid möglichst schnell auszentrifugiert werden sollten, wobei die Antriebsleistung möglichst gering sein sollte.

Im Falle von Partikeln in einer Flüssigkeit hängt die Vorgehensweise davon ab, ob die Partikel die Strömung verändern (große Steine in einem Flussbett) oder ob die Partikel vergleichsweise klein sind und lediglich der Schwerkraft unterliegen.

Im nachfolgenden Beispiel war letzteres der Fall.

Rechnerisch wird die Aufgabe gelöst, in dem das Strömungsfeld ohne Partikel berechnet und anschließend diskrete Masseteilchen bestimmter Größe eingebracht werden, auf welche Strömungskräfte und Beschleunigungskräfte wirken.

Diese Partikelbahnen können nun für verschiedene Partikelgrößen hinsichtlich der Verweilzeit und der Bahn werden und für eine Optimierung herangezogen werden.

Ergebnisse

Durch Änderung der Flügelgeometrie konnte in unserem Beispiel die Effizienz gesteigert werden, so dass für alle auftretenden Partikelgrößen eine zuverlässige Wirkungsweise gewährleistet werden konnte.

Aktueller Stand

Zwischenzeitlich haben sich die Möglichkeiten im Vergleich zu damals erheblich erweitert. Angefangen bei den heute doch etwas schauerlich anmutenden Netzen und der Grafik und der doch begrenzten Physik sind heutzutage Mehrphasen, freie Oberflächen und der Betrachtung realer Partikel bei komplexester Geometrie keine Grenzen mehr gesetzt.

Oft spielen z.B. bei Laborzentrifugen auch die Lärmentwicklung und die Akustik eine wesentliche Rolle, die mitbetrachtet werden kann.

Laborzentrifugen, Zyklone, Ölabscheider, Wasserabscheider, überall wird die Simulation zum Analysieren eines möglichen Optimierungspotentials eingesetzt. Bei der Abscheidung von Flüssigkeitströpfchen spielen auch Effekte wie Tröpfchenbildung und Filmbildung an den Wänden eine Rolle. Das Thema wird dann beliebig komplex und die Abbildung eines Versuchsstandes zur Ölabscheidung an einem Motor über einen Zeitraum von mehreren Stunden führt auch heute noch zu extrem langen Rechenzeiten.

Mit allen damit verbundenen Themen ist Merkle & Partner bestens vertraut.