In industriellen Prozessen kommt selten nur ein einziges Medium zum Einsatz; vielmehr interagieren häufig verschiedene Phasen, Komponenten oder Gasarten miteinander. Von Industrieöfen und Absauganlagen bis hin zu Reaktoren und Lüftungsanlagen ist die korrekte Charakterisierung des Mischungsverhaltens von entscheidender Bedeutung, um die Sicherheit, Effizienz und Qualität des Prozesses zu gewährleisten. Daher stellen CFD-Simulationen für Gasgemische einen Bereich von großem industriellem Interesse dar.
Wie wird die CFD-Simulation bei Gasgemischen angewendet?
Wenn zwei oder mehr Gase in einer Rohrleitung, einer Kammer oder einem Reaktor miteinander in Kontakt kommen, reicht es nicht aus, lediglich das Geschwindigkeits- und Druckfeld der Strömung zu berechnen. Im Gegensatz zu einer herkömmlichen CFD-Simulation müssen die Bewegung des Gemisches und die Konzentration jeder im Berechnungsgebiet vorhandenen chemischen Spezies gleichzeitig berechnet werden.
Dazu werden Stofftransportmodelle verwendet, die Phänomene wie Konvektion und turbulente Diffusion sowie den Einfluss der Geometrie, der Gaseigenschaften und der Betriebsbedingungen berücksichtigen. Im Gegensatz zu einer Simulation eines einfachen Gases, bei der die Eigenschaften des Fluids im gesamten Berechnungsgebiet gleichmäßig und konstant sind, muss für jede vorhandene Spezies eine zusätzliche Transportgleichung gelöst und die lokalen Eigenschaften des Gemisches – Dichte, Viskosität und Wärmeleitfähigkeit –, die je nach lokaler Zusammensetzung von Punkt zu Punkt variieren, kontinuierlich aktualisiert werden.
Anwendungen der CFD-Simulation bei der Gasmischung
Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Technologie sind sehr vielfältig und erstrecken sich auf zahlreiche Industriezweige. Zu den Bereichen, in denen diese Simulationen den größten Mehrwert bieten, gehören unter anderem:
- Industrielle Absaug- und Lüftungssysteme: Mithilfe der CFD-Simulation lässt sich die Gasverteilung im Inneren von Absaugvorrichtungen, Abzugshauben und Rohrleitungen charakterisieren, wodurch die Effizienz der Absaugung und der Einfluss der Betriebsbedingungen auf die Strömung bewertet werden können.
- Öfen und thermische Prozesse: In Anlagen, in denen Gase unterschiedlicher Temperaturen und Zusammensetzungen nebeneinander vorkommen, ermöglicht das Speziesmodell die gleichzeitige Untersuchung der Vermischung und des Wärmeaustauschs, wodurch Bereiche mit Gasansammlungen oder unerwünschte Temperaturgradienten identifiziert werden können.
- Analyse von Gasleckagen und -ausbreitung: In Industrieanlagen, in denen die Gefahr des Austritts giftiger, brennbarer oder umweltschädlicher Gase besteht, ermöglicht die CFD-Simulation eine Vorhersage der Ausbreitung der Gaswolke unter Berücksichtigung der Umgebungsbedingungen, der vorhandenen Belüftung und der Eigenschaften des Lecks. Diese Art der Analyse ist entscheidend für die Bewertung von Gefahrenbereichen, die Dimensionierung von Detektions- und Notbelüftungssystemen sowie die Gewährleistung der Einhaltung von Arbeitsschutzvorschriften.
- Emissionskontrollsysteme: Mithilfe der CFD-Simulation lassen sich die Effizienz von Verdünnungssystemen für Schadgase oder die korrekte Verteilung von Spülströmen bewerten, was zur Einhaltung von Umwelt- und Sicherheitsanforderungen beiträgt.
Fallstudie
Als Beispiel für eine industrielle Anwendung haben wir bei ICEMM kürzlich mithilfe von Cradle CFD eine Untersuchung des an einen Kupferschmelzofen angeschlossenen Absaugsystems durchgeführt. Ziel war es, die Funktionsweise des Absaugers zu validieren und dessen Einfluss auf das System zu bewerten, wobei das Strömungsverhalten durch die Validierung des Geschwindigkeitsfeldes, der Temperaturverteilung und der Ausbreitung der gasförmigen Bestandteile charakterisiert wurde.
Die Untersuchung wurde unter Berücksichtigung des Gasmischungsmodells im Inneren der Anlage sowie von Wärmequellen und des Moduls für mit der Strömung gekoppelte Partikel durchgeführt. Es wurden zwei entsprechende geometrische Konfigurationen analysiert, wobei die Gleichungen für die kompressible Strömung mit Turbulenz im transienten Zustand gelöst wurden.
Die folgende Abbildung zeigt die Stromlinien für eine der untersuchten Konfigurationen und ermöglicht es, die Strömungsverteilung im Inneren des Systems zu veranschaulichen.
