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Papier und Zellstoff

Papierrollen vor einer Papiermaschine

Zirka 200 – 250 kg Papier pro Kopf verbrauchen Einwohner in Industrieländern pro Jahr. Der weltweite Durchschnittsverbrauch liegt mit 54 kg pro Kopf/Jahr noch weit dahinter. Rund 20% des weltweit geschlagenen Holzes werden für die Herstellung von Papier und Zellstoff verwendet, obwohl mittlerweile Altpapier 40% des Faserrohstoffes liefert. Der steigende Bedarf und die Herausforderung, die sich aus den Anforderungen bezüglich der Energieeffizienz und des Umweltschutzes ergeben, erfordern neue Technologien und optimierte Prozesse in der Papier- und Zellstoffherstellung.

bionic surface technologies punktet hier sowohl mit Erfahrung in der Branche als auch mit bereits erprobten Konzepten aus über 200 Projekten, die den entscheidenden Vorteil bringen können.

Die komplexen Prozesse der Papierherstellung können durch die Anwendung von CFD Simulationen analysiert und optimiert werden. Kosten und Zeitaufwand für Prototypen und Versuchsreihen werden damit massiv reduziert. Die gewünschten Ziele können so zuverlässig und effizient erreicht werden.

Schematische Darstellung einer Papiermaschine
Schematische Darstellung einer Papiermaschine (CC BY 3.0 Egmason, wikipedia)
Möglichkeiten der Simulation
  • Gas-Flüssig-Gemische
  • Gas-Festkörper-Gemische
  • Flüssig-Festkörper-Gemische
  • Flüssig-Flüssig-Gemische
  • Phasenwechsel
  • Verdampfung
  • Kavitationsphänomene
  • Erosion
Maschinenkomponenten der Papier- und Zellstoffherstellung
  • Zellstoffauslauf
  • Lochwalzenstoffauflauf
  • Hochleistungs- Papierstoffauflauf
  • Sauger
  • Pressen
  • Trockenzylinder
  • Drucksortierer

Simulationen für die Papier und Zellstoffherstellung

  • Das Papier/Zellstoffgemisch wird als nicht-newtonsches Fluid modelliert
  • bionic surface technologies verfügt über verschiedene Berechnungsmodelle, abhängig von der Zusammensetzung
  • Im Diagramm sind drei Modelle dargestellt
Diagram mit drei verschiedenen Zellstoffgemischen
Drei verschiedene Zellstoffgemische als Vergleich

Stoffauflauf

Schematische Darstellung des Stoffauflaufs

Simulation und Ergebnisanalyse

  • Untersuchung von Luftansammlungen zur Qualitätsverbesserung des Stoffauflaufs
  • Verbesserungsvorschläge zur Optimierung der Strömung

Optimierungen und schnelles Troubleshooting

  • Mit bestehendem System können sehr effizient verschiedene Optimierungen vorab simuliert werden und der Aufwand von „Trial and Error“ wesentlich reduziert werden.
  • Schnelles Troubleshooting mit verschiedenen Eingabeparametern möglich
Beschriftung eines Stoffauflaufs
Simulation des Diffusors
Simulation des Stoffauflaufs

Untersuchung der Entstehung von Faserspindeln

BST_Faserspindel_Simulation

Sauger

Schematische Darstellung des Saugers

Entwässerung

  • Die Berechnungsdomain besteht aus drei Zonen: Pulp, Sieb, Keramik
  • Sieb und Pulp werden über die Keramik gezogen.
  • Im Sieb wird der selbe Volumenanteil an Wasser gesetzt.
3D-Bild eines Saugers
Simulation Luftansaugung

2D Modell mit aufgelöstem Sieb (2 Phasen Modell) ~30µm Spalt

  • Wasserverteilung im Sieb und in der Fasermatte.
Beschreibung Simulation des Saugers

Pressen

Schematische Darstellung der Presse

Pressen:

  • Die Berechnungsdomain besteht aus folgenden Zonen: 2 x Presse, Filz, Papierbahn
  • Wasser wird aus der Papierbahn in den Filz gepresst und je nach Konfiguration abgeschleudert oder weggesaugt.
  • Ziel: Möglichst viel Wasser aus der Papierbahn entfernen
Darstellung der Berechnungsdomain

Modell Presswalze: Geschwindigkeit und Wassertransport

Modell vakuumunterstützte Lochwalze: Wasserverteilung im Sieb und in der Fasermatte.

Simulation der Wasserverteilung im Sieb und in der Fasermatte

Trockenzylinder

Schematische Darstellung eines Trockenzylinders

Trockenzylinder:

  • Die Berechnungsdomain besteht aus folgenden Zonen: Innenraum des Trockenzylinders, Zylinderwand und Papierbahn
  • Heißdampf wird an der Trockenzylinderwand kondensiert und gibt dort Wärme ab welche zur Trocknung der Papierbahn verwendet wird.
  • Ziel: Gleichmäßigkeit und gute Kondensat Abfuhr und hoher Wärmetransport von der Zylinderinnenwand an die Papierbahn.
Trockenzylinder nähere Beschreibung

Strömungsanalyse zur Optimierung eines Trockenzylinders

  • Einsaugen der Kondensatphase (rot) durch Dampf (blau).
  • Durch Überdruck im Zylinder wird das Kondensat durch das Röhrchen gepresst.
Einsaugen der Kondensatphase
Schematische Darstellung der Einsaugung des Konsendats

Strömungsanalyse zur Optimierung eines Trockenzylinders

  • Bewertung verschiedener Absaugkonzepte hinsichtlich Wärmestrom.
  • Durch das Auskondensieren des Dampfes an der Zylinderwand wird Wärme abgegeben.
  • Diese Wärme dient der Trocknung der Papierbahn.
Darstellung eines Trockenzylinders

Drucksortierer

Sortierer werden in der Papier und Zellstofftechnik überall dort eingesetzt wo gewährleistet sein muss, dass keine Verunreinigungen im Kreislauf weiter transportiert werden.

Beschreibung eines Drucksortierers

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