Forschungsprojekte von Dr.-Ing. Kai Nikolaus
CFD-Berechnung des Abscheidevorgangs von magnetisierbaren Partikeln im Magnetfeld
AiF-Forschungsprojekt: IGF 465 ZN
Bearbeitung: seit März 2014
Um eine möglichst lange Gebrauchsdauer von Schmier- und Hydraulikölen zu erreichen, ist deren Pflege im Prozess notwendig. Eine geeignete Maßnahme zur Entfernung von Partikeln aus Ölen ist die magnetische Separation. Für diese Anwendung wurde am Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik ein Offen-Gradient-Magnetabscheider entwickelt und durch experimentelle Untersuchungen getestet. Bei der Apparatur werden mehrere Permanentmagnete unter einem Strömungskanal positioniert und dadurch große Gradienten der magnetischen Feldstärke erzeugt, die zur Partikelabscheidung notwendig sind.
Um den Abscheidevorgang der Partikel näher zu untersuchen, wurde eine numerische Berechnungsmethode auf Basis der Programme Comsol Multiphysics® und Ansys Fluent® entwickelt. Zunächst wird durch Comsol Multiphysics® die Magnetfeldstärke in der Umgebung eines oder mehrerer Magneten berechnet. Das berechnete Magnetfeld wird danach im Bereich des Strömungskanals in Ansys Fluent® importiert. In Ansys Fluent® werden die Strömung und die Trajektorien der Partikel durch die Euler-Lagrange-Methode berechnet. Die Bewegungsgleichung der Partikel wird im betrachteten Fall insbesondere durch die Magnetkraft beeinflusst, die in den Standard-Tools von Ansys Fluent® nicht implementiert ist. Durch die eigens entwickelte User Defined Function kann die Ablenkung der magnetisierbaren Partikel infolge eines beliebigen importierten Magnetfeldes in der Strömung berechnet werden. Aus dem Berechnungsmodell ergibt sich eine anschauliche Darstellung des Absetzvorgangs im dreidimensionalen Strömungsfeld (siehe Abb. 1). Es wurde auch eine alternative Ausführung des Magnetabscheiders numerisch und experimentell untersucht, bei der ein magnetisierbares Lochblech zur Verzerrung des Magnetfeldes eingesetzt wird, um eine Vielzahl von Gradienten der magnetischen Feldstärke zu erzeugen und die Abscheidung zu verbessern.
Trink- und Reinstwassergewinnung mittels Membrandestillation
Dissertation: ISBN 978-3-943995-49-7
Bearbeitung: Sep. 2008 bis Nov. 2013
Die Membrandestillation ist ein thermisches Trennverfahren für wässrige Lösungen, bei dem flüchtige Komponenten im gasförmigen Zustand durch eine Membran transportiert werden. Den selektiven Charakter der Membran hinsichtlich des Aggregatzustandes der zu behandelnden wässrigen Lösungen wird durch eine hydrophobe und mikroporöse Beschaffenheit der Membran verursacht. Wässrige Lösungen, die beide Seiten der hydrophoben, mikroporösen Membran beaufschlagen, können aufgrund der Oberflächenkräfte nicht in den Porenraum der Membran eindringen, wohl aber gasförmige Komponenten wie der Wasserdampf (siehe Abb. 3). Die treibende Kraft für den Stofftransport bildet ein Dampfdruckgefälle durch die Membran, das beispielsweise durch eine Temperaturdifferenz in den Flüssigkeiten außerhalb der Membran erzeugt werden kann. Es kommen dabei Temperaturen unterhalb der Siedetemperatur zum Einsatz. Durch das Dampfdruckgefälle permeiert der Dampf durch die Membran zur kalten Lösungsseite (Permeatseite). Dort wird der Dampf durch Kondensation aufgenommen. Wenn der Feedstrom außer Wasser keine weitere flüchtige Komponente enthält, wird auf der Permeatseite ein hochreines, destilliertes Wassers mit einer Leitfähigkeit von ungefähr 1 µS/cm erzeugt. Auch bei hohen Salzkonzentrationen (3,5 % bei Meerwasser) kann in einem Prozessschritt Reinstwasser gewonnen werden. Während die Permeatseite der Membrandestillation zur Erzeugung von Reinstwasser genutzt werden kann, eignet sich die Feedseite zum Konzentrieren nicht-flüchtiger Wasserinhaltsstoffe wie gelöste Ionen oder Kolloide.
Die Membrandestillation wurde in den 80er Jahren entwickelt. Trotz einer Reihe günstiger Eigenschaften hat sich das Verfahren bis heute nicht etabliert. Im Laufe der Zeit wurden mehrere verschiedene Ausführungsformen der Membrandestillation untersucht, von denen insbesondere die Direkt Kontakt Membrandestillation und die Vakuum Membrandestillation aussichtsreiche Eigenschaften zur Marktreife besitzen. Beide Verfahren haben sich jedoch ebenfalls noch nicht durchsetzen können. In der vorliegenden Arbeit wird ein neuer Typ der Membrandestillation eingeführt, der die Vorteile beider Verfahren vereint. Bei der Membrandestillation wird der Stofftransport durch ein Dampfdruckgefälle in der Membran verursacht. Beim Prozess wird jedoch der Stofftransport meist durch Luftmoleküle, die sich im Porenraum der Membran befinden, behindert. Das neue Verfahren erlaubt es, die Luft aus dem Porenraum der Membran, die in beidseitigem Kontakt mit den zu behandelnden Flüssigkeiten steht, unabhängig von der Zugänglichkeit der Membran nahezu vollständig zu entfernen und den Stofftransport zu begünstigen. Das Verfahren wurde sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht. Durch die Entfernung der Luft aus dem Porenraum der Membran kann der spezifische Permeatfluss nachweislich erhöht und der spezifische Wärmebedarf des Prozesses deutlich gesenkt werden, da der Anteil der durch Wärmeleitung übertragene Wärme sinkt. Bei dem neuen Typ der Membrandestillation ist die Knudsen-Diffusion im Porensystem ein maßgeblicher Vorgang, der bei der Modellierung berücksichtigt werden muss. Dabei spielt insbesondere eine geeignete Charakterisierung des porösen Systems der Membran eine entscheidende Rolle. Bei dem entwickelten Berechnungsmodell ist der Stofftransport des Dampfes durch die Membran nicht nur mit einem Wärmetransport, sondern auch mit einem Stofftransport der in den Flüssigkeiten gelösten Luft gekoppelt. Das Berechnungsmodell wurde durch einen Vergleich mit unterschiedlichen experimentellen Messungen validiert. Auf der Grundlage des validierten Berechnungsmodells wurde eine prozessorientierte Kostenrechnung für eine Kleinanlage durchgeführt, die dezentral zur Trink- und Reinstwassergewinnung eingesetzt werden kann. Dabei werden sowohl prozesstechnische als auch wirtschaftliche Gesichtspunkte berücksichtigt. Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung beinhaltet auch eine Auslegung eines großtechnischen Membranmoduls. In diesem Zusammenhang wurde eine nützliche neue Kennzahl eingeführt, die zur Ermittlung von günstigen Betriebsbedingungen im Hinblick auf eine Wärmerückgewinnung eingesetzt werden kann. Darüber hinaus wurden Langzeituntersuchungen durchgeführt, die den Einfluss von hohen Salzkonzentrationen auf den Prozess zeigen. Ein besonderes Augenmerk richtete sich dabei auf die Qualität des erzeugten Wassers.
Das IGF-Vorhaben 15756 N der Forschungsvereinigung DECHEMA wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
CFD-Berechnung der Strömung in einem koaxialen Düsensystem bei der Reinigung von Bauteilen
Industrieprojekt
Bearbeitung: Feb. 2012 bis Mär. 2013
Der Auftraggeber des Industrieprojektes nutzt ein Düsensystem zur Reinigung von Bauteilen. Im Betrieb befinden sich die Düse und das zu reinigende Bauteil komplett unter Wasser. Durch einen besonderen koaxialen Aufbau des Düsensystems wird in der Praxis eine hohe Reinigungseffizienz erreicht. Durch CFD-Berechnungen konnten die Strömungsverhältnisse beim Betrieb des Düsensystems untersucht und dadurch Aufschlüsse über die physikalischen Effekte bei der Reinigung von Bauteilen gewonnen werden. Des Weiteren wurde im Projekt die optimale Entfernung der Düse vom Bauteil bezüglich der Reinigungseffizienz ermittelt.
Experimentelle Untersuchung von speziellen Membranen für die Anwendung der Membrandestillation
Industrieprojekt
Bearbeitung: Nov. 2011 bis Feb. 2012
Im Rahmen eines Industrieprojektes mit einem Membranhersteller wurde die Eignung spezieller Membranen zur Membrandestillation experimentell untersucht. Dabei wurden die Membranen hinsichtlich der Benetzungsdrücke, der maximale Porengrößen und der mittlere Porositäten charakterisiert. Zudem wurden die spezifischen Permeatflüsse beim Betrieb einer Membrandestillationsanlage bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen gemessen und die Reinheit des erzeugten Wassers ermittelt.
CFD-Berechnung der Strömungs- und Separationsvorgänge in einem Kristallisator
BMBF-Forschungsprojekt: 0327495A
Bearbeitung: Jan. 2011 bis Jul. 2011
Im Rahmen des BMBF-Forschungsprojektes "Energieeffiziente Verdampfungskristallisation mittels Membrandestillation" wurde unter anderem ein gerührter Schlaufenreaktor, der zur Kristallisation von Salzen eingesetzt wird, numerisch untersucht. Für den Prozess ist es wichtig, dass eine möglichst geringe Menge der Salzpartikel den Schlaufenreaktor am Überlauf verlässt. Mit Hilfe einer mehrphasigen Strömungssimulation konnten die Aufenthaltsbereiche einer Partikelgrößenverteilung im Schlaufenreaktor berechnet werden (siehe Abb. 4). Dabei zeigte sich, dass durch die spezielle Konstruktion des Schlaufenreaktors nur ein sehr geringer Anteil der Partikel (< 1%) den Schlaufenreaktor am Überlauf verlassen kann.
Konstruktion und Optimierung des Saugbereiches einer emissionsarmen Kehrmaschine auf Basis von CFD-Berechnungen
Industrieprojekt
Bearbeitung: Jun. 2008 bis Apr. 2009
In dieser Arbeit wurde ein neues Saugsystem einer Kehrmaschine mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation (CFD) untersucht. Durch das Saugsystem kann die Feinstaubemission der Kehrmaschine stark reduziert werden, indem ein Großteil der partikelbeladenen Luft im Kreislauf geführt wird. Dadurch reduziert sich die zu filtrierende Abluft. Durch mehrere dreidimensionale Simulationen konnte die Konstruktion des Saugbereiches hinsichtlich des rückführbaren Anteils der Luft optimiert werden.
CFD-Berechnungen zur Untersuchung der Strömung in der Durchflussmesszelle eines Partikelmesssystems
DFG-Forschungsprojekt: Vorarbeit für SPP 1423 B4
Bearbeitung: Jan. 2008 bis Apr. 2008
Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde ein optisches Partikelmesssystem entwickelt. Dabei kann die eingesetzte Extionktionsmessung mit einer variablen optischen Weglänge ausgeführt werden. Ein häufiges Problem im Zusammenhang mit der optischen Partikelmesstechnik ist die Verschmutzung der Messfenster. Um dies zu verhindern werden Spülströme eingesetzt. Durch eine numerische Untersuchung der Strömung im Sensor kann der Einfluss der Spülströme auf den partikelbeladenen Hauptstrom analysiert werden (siehe Abb. 5).
CFD-Berechnungen zur Untersuchung der Überschallströmung in Laval-Düsen
Industrieprojekt
Bearbeitung: Jan. 2007 bis Jun. 2008
Im Rahmen eines Industrieprojektes wurden nanoskalige Partikel durch eine Expansion einer heißen Überschallströmung durch Desublimation erzeugt. Die numerische Untersuchung der mehrphasigen Strömung bietet die Möglichkeit, experimentelle Ergebnisse besser deuten zu können. Im betreffenden Fall hat eine Rückströmung im Expansionsbereich einen Einfluss auf die entstehende Partikelform, wenn die Rückströmung an einer gekühlten Wand vorbeigeführt wird (siehe Abb. 6). Durch die CFD-Berechnung konnte die Ursache für das Phänomen nachgewiesen werden. Aus dem Projekt ist die Patentschrift EP2315627A1 hervorgegangen.
Optimierung einer Filteranlage auf Basis von CFD-Berechnungen
Industrieprojekt
Bearbeitung: Okt. 2005 bis Dez. 2006 und Jun. 2010 bis Apr. 2011
Die exakte numerische Simulation von Filtrationsvorgängen stellt eine große Herausforderung dar. Eine Filtration ist ein mehrphasiges Strömungsproblem, wodurch eine Simulation mit einer sehr großen Rechenzeit verbunden ist. Eine effiziente Berechnung sollte den zeitlichen Rahmen nicht überschreiten und dabei dennoch die zu untersuchenden physikalischen Vorgänge gut beschreiben. Diese Arbeit soll zeigen, dass trotz einphasiger Modellierung und stationärer Berechnung die Strömungsvorgänge in einem komplexen kontinuierlich betriebenen Filter sehr gut wiedergegeben werden können. Als Beispiel dient der Drucktrommelfilter der Firma BHS-Sonthofen, der aufgrund der Simulationsergebnisse im Einlaufbereich modifiziert und erwiesenermaßen verbessert wurde.
