Drucksortierer: Optimierung durch CFD- Analyse

Drucksortierer: Optimierung durch CFD- Analyse

Aufgabe

Optimierung von Drucksortierer hinsichtlich ihres Leistungseintrags, Verschleißreduzierung, Lebensdauererhöhung und Verbesserung der Produkt Qualität

Lösung

Durch Geometrie Anpassung und Untersuchungen optimaler Betriebsbedingungen des Drucksortierers können vielversprechende Lösungen gefunden werden.

Nutzen

Die CFD- Analyse gibt Einblick in den Sortierungsprozess sowie ein besseres Verständnis für mögliche Problemstellungen.

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Abbildung 1: Aufbau Drucksortierer mit den zu- und ablaufenden Strömen (links), innere Struktur mit Stator und Rotor
Aufbau und Funktion eines Drucksortierers

Der Drucksortierer spielt eine entscheidende Rolle in der Papierherstellung, indem er den Zulaufstrom, welcher aus einer Mischung von Faserstoffen und potenziellen Störstoffen besteht, effizient sortiert und reinigt. Er besteht aus zwei Hauptkomponenten, dem Stator Käfig und dem Rotor Käfig.

Der Stator Käfig, bestehend aus den Sortierstäben, bildet eine wichtige Grundlage für den Sortierprozess. Er ist stationär und ist der äußere Teil des Drucksortierers. Der Rotor, dagegen, ist in Bewegung und besteht aus einem zylindrischen Käfig, an dem Foils angebracht sind. Der Rotor befindet sich innerhalb des Stator Käfigs und wird mit einem schmalen Spalt von einigen Millimeter zwischen sich und dem Stator verbaut.

Die Hauptaufgabe des Drucksortierers besteht darin, den Zulaufstrom effektiv zu sortieren und zu reinigen. Bei diesem Vorgang wird der Feed in zwei Ströme geteilt (Abbildung 1):

  1. Der "Accept-Strom" enthält die gewünschten Faserstoffe, die für die weitere Papierherstellung aufgereinigt werden.
  2. Der "Reject-Strom" besteht aus den abgeschiedenen Verunreinigungen und Störstoffen, die aus dem Zulaufstrom entfernt wurden.

Insgesamt ermöglicht der Drucksortierer eine präzise Trennung von Fasern und Störstoffen im Zulaufstrom, wodurch die Qualität des Endprodukts verbessert werden soll.

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Abbildung 2: AVERAGE: Bereich ohne/ nach Foil: moderater Fluss; PEAK: Bereich nahe der Leading Edge: Druck maximum, erhöhter Fluss; SUCK: Bereich in der Mitte des Foils, Fasern werden von den Stäben gelöst, moderater Fluss in Richtung Rotor
Der Rotor erzeugt während der Rotation einen Druckunterschied zwischen der Vorder- und der Rückseite der Siebstäbe. Diese Differenz erzeugt auf der Vorderseite einen Überdruck und auf der Rückseite einen Unterdruck, welcher für den Trennvorgang entscheidend ist. Die Fasern im Zulaufstrom werden durch diesen Druckunterschied durch die Schlitze zwischen den Siebstäben gedrückt. Währenddessen werden Störstoffe und Verunreinigungen aufgrund ihrer Größe und Beschaffenheit nicht durchgelassen und bleiben zurück. Durch den erzeugten Unterdruck werden die Siebstäbe gereinigt und neigen dadurch zu einer geringeren Verstopfung. Während das Foil entlang des Stators geführt wird, entstehen unterschiedliche Bereiche, die als „AVERAGE“, „PEAK“ and „SUCK“. bezeichnet werden. Diese Bereiche zeichnen sich durch unterschiedliche Druckverhältnisse aus, wie in Abbildung 2 dargestellt.
CFD-Analyse und Optimierungsmöglichkeiten

Mithilfe von CFD können komplexe Strömungsmuster und -Eigenschaften in einem Drucksortierer analysiert werden. Diese Simulationen ermöglichen es, verschiedene Rotor-Stator-Geometrien zu modellieren und ihre Auswirkungen auf die Strömungsdynamik zu bewerten. Für die Optimierung von Drucksortierer wird an verschiedenen Geometrieänderungen geforscht. Dabei kommt es zu einer Vielzahl an Möglichkeiten. (siehe Abbildung 3, Abbildung 4, Abbildung 5)

  • Schrägstellung der Foils am Rotor
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Abbildung 3: Schrägstellen des Rotorkäfigs; gerader Roterkäfig (links); schräg gestellter Rotorkäfig (rechts)
  • Variation des Konus Winkels am Rotor
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Abbildung 4: Schrägstellen des Konus; 0° Winkel am Konus (links), 15° Winkel am Konus (rechts)
  • Veränderung der Siebstabformen am Stator-Käfig
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Abbildung 5: Simulation unterschiedlicher Siebstabformen

Im Rahmen des Optimierungsprozesses ist die Änderung der Foil Geometrie, welche die Änderungen von Länge, Breite und Form umfasst, eine Möglichkeit zur Verbesserung. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Position des Foils am Rotor anzupassen. Darüber hinaus ist es entscheidend, die Auswirkungen der Spaltbreite zwischen Rotor und Stator genau zu untersuchen und zu beeinflussen.

Zusätzlich zu diesen geometrischen Anpassungen ist die Variation der Rotordrehzahl eine weitere beeinflussbare Variable. Durch die Anpassung der Drehzahl lässt sich die aufgenommene Leistung effektiv steuern. Das kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn Anpassungen an der Geometrie vorgenommen werden. Diese Möglichkeit eröffnet somit ein weiteres Potenzial zur Steuerung und Optimierung des Systems.

Fazit

Die Anwendung von CFD-Simulationen ermöglicht grundsätzlich die Identifizierung von optimalen Rotor-Stator-Geometrien für spezifische Zwecke und die Bewertung, welche Konfigurationen vorteilhaft sind. In diesem Zusammenhang werden verschiedene Ziele verfolgt, darunter die Reduzierung des Energieverbrauchs, die Minimierung des Verschleißes und die damit verbundene Verlängerung der Lebensdauer der Komponenten, ohne dabei die erforderliche Qualität zu beeinträchtigen.

  1. Leistungsoptimierung: Durch die Anpassung der Geometrie des Rotors und des Stators kann der Energieverbrauch des Systems reduziert werden. Dies trägt zur Kostenreduzierung und Energieeffizienz bei.
  2. Verschleißminimierung: Die Simulation kann dazu beitragen, kritische Bereiche zu identifizieren, in denen Verschleiß auftreten kann, und Maßnahmen zur Verschleißminderung zu entwickeln. Dies führt zu einer längeren Lebensdauer der Komponenten und geringeren Wartungskosten.
  3. Qualitätserhaltung: Während Veränderungen an der Rotor-Stator-Geometrie vorgenommen werden, ist es entscheidend sicherzustellen, dass die gewünschte Qualität des Endprodukts erhalten bleibt. Die CFD-Simulationen können dazu beitragen, sicherzustellen, dass die Strömungsdynamik nicht nachteilig beeinflusst wird.
  4. Effizienzsteigerung: Die optimale Gestaltung der Geometrie kann die Effizienz des Trennprozesses verbessern, indem sie die Trennung von Fasern und Störstoffen optimiert. Dies führt zu einer höheren Produktivität und Qualität.

Insgesamt bieten CFD-Simulationen eine effiziente Möglichkeit, die Leistung von Rotor-Stator-Systemen zu optimieren, Verschleißprobleme zu minimieren und die Lebensdauer der Anlagen zu verlängern, während gleichzeitig die Produktqualität auf dem gewünschten Niveau gehalten wird. Dies ermöglicht Unternehmen, kosteneffizienter und nachhaltiger zu arbeiten.

Die Wahl der durchgeführten Optimierung ist eng mit der jeweiligen Ausgangssituation verbunden und wird maßgeblich durch das zu erreichende Ziel beeinflusst. Das bedeutet, dass die Entscheidung, welche Maßnahmen zu ergreifen sind, von verschiedenen Faktoren abhängt, darunter die bestehenden Betriebsbedingungen, die gewünschten Leistungsziele und die Grenzen des Systems.