• 1. Einleitung: CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics)
• 2. Beschreibung der Fallstudie
  • 2.1 Geometrie der DAF-Ausrüstung
  • 2.2 Randbedingungen
  • 2.3 Definition von Partikeln und Flocken
• 3. Ergebnisse der Simulationen
  • 3.1 Simulation der Wasser-, Luft- und Partikelfasen im DAF-System für die vom Kunden entworfenen Anlagen
  • 3.2 Untersuchung der Gestaltung der Eingangsfenster
  • 3.3 Untersuchung der Strömungsrichtung des Zulaufs zum DAF
• 4. Vorgeschlagene Maßnahmen zur Bewältigung der Turbulenzen
• 5. Literaturverzeichnis und Danksagungen

1. Einleitung: Strömungssimulationen (CFD, Computational Fluid Dynamics)

Strömungssimulationen (CFD) finden Anwendung in hydraulischen Strömungssystemen und Transportprozessen.Sie sind Standardwerkzeuge für die Entwicklung von Konstruktionen und Anlagen mit fluidtechnischen Komponenten. Heutzutage sind CFD-Simulationen in allen Bereichen des Ingenieurwesens unverzichtbar, einschließlich der Wasseraufbereitung.

Im Bereich der Wasseraufbereitung simulieren CFD-Programme die Strömungsdynamik sowie das Verhalten von Flüssigkeiten und Phasen ( Wasser, Luft, Feststoffe usw.), die in Wasseraufbereitungsanlagen nur schwer direkt zu beobachten sind. Darüber hinaus ermöglichen sie die Vorhersage der Auswirkungen, die bei einer Änderung bestimmter Betriebsbedingungen (Drücke, Durchflussmengen usw.) eintreten würden.

Diese Simulationen bieten vor allem:

• Validierung von Näherungsmodellen anhand von Messungen.
• Deterministische Analysen anhand von Indikatoren.
• Steigerung der Anlageneffizienz durch Optimierungsmaßnahmen unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit.

Im Folgenden sehen wir uns an, wie wir bei SIGMADAF CFD-Simulationen durchführen, um das außergewöhnliche Verhalten eines DAF FPHF 750-Anlage , das bei einem Kunden installiert wurde, der Chemikalien für die Lebensmittelzubereitung herstellt.

Diese Simulationen wurden in Zusammenarbeit mitHydrograv, einem auf dynamische Strömungssimulationen spezialisierten Unternehmen, und dem Technologischen Institut von Aragón durchgeführt.

Ziel ist es, zu verstehen, warum sich die Wasserströmung auf ungewöhnliche Weise verhält, und die Ergebnisse der Studie für die mechanische und betriebliche Verbesserung der Anlage zu nutzen. Diese wertvollen Informationen werden auch dazu verwendet, die künftigen Konstruktionen und Ausführungen dieses DAF-Modells zu optimieren.

2. Beschreibung der Fallstudie

Bei der untersuchten Anlage handelt es sich um ein DAF-System, Modell FPHF 750. Diese Anlage ist praktisch identisch mit anderen bereits installierten Anlagen, weist jedoch Funktionsstörungen auf, die mit der Turbulenz zusammenhängen, der der Durchfluss im Einlassbereich der Anlage ausgesetzt ist. Unter Turbulenz versteht man die ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung am Einlass der Anlage.

Vor der Durchführung der Strömungssimulationen werden zwei konkrete Ziele festgelegt:

• Ermittlung der Ursachen für eine erhöhte Turbulenz im Einlaufbereich des Abwassers anhand von zwei Schlüsselelementen: Durchflussmengen und Konfiguration der Einlaufrohre.
• Entwürfe vorschlagen und analysieren, die diese Turbulenzen verringern.

Die CFD-Simulationen vergleichen die Auslegungswerte mit den kundenspezifischen Werten hinsichtlich des Zuflusses und der Konfiguration der Zuleitung zum DAF.

CFD-Simulationen liefern zudem einen klaren Einblick in die Funktionsweise des DAF und zeigen mögliche Optimierungsansätze auf, sowohl in mechanischer Hinsicht als auch hinsichtlich der Leistung. Konkret deuten sie auf eine Neukonstruktion bestimmter Bauteile hin, die eine hydraulische Optimierung ermöglichen würde, was wiederum zu einer Steigerung der Flockenabscheidungseffizienz führen würde.

Alle relevanten Prozesse werden berücksichtigt:

• Wasserdurchfluss.
• Wassergeschwindigkeit.
• Verhalten von Mikroblasen.
• Schwimm- und Sedimentationsverhalten von Partikeln und Flocken
• Einfluss der Lamellen.

2.1 Geometrie der Anlage

Dies ist die vereinfachte Geometrie des Geräts SIGMADAF FPHF 750. Diese Geometrie dient als Grundlage für die CFD-Simulationen.

Die vom Kunden verlegte Zuleitung weist 60°-Bögen auf, was von der von Sigma empfohlenen Standardkonfiguration mit 90°-Bögen abweicht.

Der in den DAF eintretende Strom trifft auf eine Platte, woraufhin er sich in zwei Ströme aufteilt. Anschließend durchströmt jeder Strahl ein Fenster mit den Maßen 380 × 380 mm, die symmetrisch angeordnet sind, wie in Abbildung 6 dargestellt. Nach dem Durchströmen des Fensters trifft der Strahl auf einen Deflektor, der ihn in vertikale Richtung lenkt. Die Turbulenz entsteht im oberen Auslassbereich.

Bei der symmetrischen Konfiguration soll sich der Durchfluss gleichmäßig auf jedes Fenster verteilen. Es können jedoch Faktoren auftreten, die die Symmetrie des Durchflusses stören und eine bevorzugte Strömungsrichtung zu einem der Fenster bewirken, was zu Turbulenzen und zum Austritt von Schlammflocken in Richtung des Auslasses des Klärbeckens beiträgt.

Um diese Hypothese zu bestätigen, werden CFD-Simulationen durchgeführt, die untersuchen, wie sich die im Einlassbereich beobachtete Geschwindigkeitsverteilung auswirkt.

2.2.Randbedingungen

Es werden Mehrphasensimulationen mit Luft und Wasser durchgeführt, bei denen die Luftblasen als disperse Phase modelliert werden.

Das Wasser fließt über eine Rohrleitung mit einem Durchmesser von DN600 aus dem dem DAF vorgeschalteten Flockungsbecken in den DAF. Der Anfang der Rohrleitung (oberer Bogen) ist nicht vollständig gefüllt, wie auf dem folgenden Foto zu sehen ist:

Tabelle 1 enthält die Randbedingungen, die für die CFD-Simulationen gelten. Aus dieser Tabelle gehen die Unterschiede zwischen den Auslegungsbedingungen, für die die Anlage gebaut wurde, und den Bedingungen hervor, die der Kunde in der Regel anwendet.

Tabelle 1. Randbedingungen für die CFD-Simulationen.

Parameter	Einheiten	Design-Werte	Kundenwerte
Zulaufmenge	m³/h	725	400
Umwälzmenge	m³/h	100	100
Gesamtbetrag	m³/h	825	500
Mindestauslegungsdurchfluss	m³/h	550	550
Verbrauchte Luftmenge	l/min	150	150
Durchmesser der Mikroblase	µm	30 – 50	30 – 50

2.3 Definition von Partikeln und Flocken

Die Partikel können unter Verwendung eines algebraischen Gleitmodells als Teil der wässrigen Phase betrachtet werden. Die Relativgeschwindigkeit der Partikel basiert auf Literaturangaben und Analysen realer Flocken. Je nach Dichte der Partikel und ihrer Bindung an die Mikroblasen können diese absinken, auf gleicher Höhe schweben bleiben oder an die Oberfläche aufsteigen.

Die Relativgeschwindigkeit der Partikel wird näherungsweise angenommen. Wenn sich die Mikroblasen an einen Schlammflocken anlagern, sinkt die Dichte des Flockens unter die Dichte von Wasser, und die Aufwärtsgeschwindigkeit dieses Agglomerats (Schlamm – Luft) nimmt zu.

Der genaue Wert der Aufwärtsgeschwindigkeit ist unbekannt und variiert von Flockel zu Flockel. Aus diesem Grund wird in den CFD-Simulationen ein Bereich physikalisch möglicher Aufwärtsgeschwindigkeiten festgelegt. Diese relativen Geschwindigkeiten sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 2. Geschätzte Partikelgeschwindigkeiten. Negative Werte bedeuten, dass die Partikel aufsteigen (negative „Sedimentationsgeschwindigkeit“).

Partikeltyp von	Bereich der Sedimentationsgeschwindigkeit (mm/s)*
Hoch	(-100) – (-1,0)
Mitten im DAF schwebend	0,0
abgesetzt	0,5 – 2,0

3. Ergebnisse der Strömungssimulationen

3.1 Simulation der Wasser-, Luft- und Partikelfasen im DAF für die vom Hersteller und vom Kunden entworfenen Systeme.

Der Zulaufstrom wird in der Zulaufleitung zweimal umgeleitet (jeweils einmal an jedem Bogen) und anschließend am Einlassfenster erneut umgeleitet, bevor er in den DAF gelangt. Die Einlaufgeschwindigkeiten liegen im von SIGMADAF entworfenen System über 90 cm/Sekunde, betragen im vom Kunden betriebenen DAF-System jedoch zwischen 50 und 60 cm/Sekunde (Abbildungen 8 (5.1) und 9 (5.3)).

Aufgrund der hohen Einströmgeschwindigkeiten und der nahezu horizontalen Strömung im Design-System trifft der Durchfluss fast horizontal auf die geneigte Einlaufplatte und wird größtenteils nach oben zum oberen Teil des Behälters umgeleitet (Abbildung 10, links).

Im System des Kunden sind die Strömungsgeschwindigkeiten geringer, sodass nur ein Teil des Durchflusses nach oben umgeleitet wird (Abbildung 10, rechts). Im System des Kunden ist ein Abwärtsstrom durch die Einlassöffnung zu beobachten; daher besteht ein Strömungs-Kurzschluss zwischen Einlass und Auslass der Rohrleitung, was höchstwahrscheinlich zu einer erhöhten Flockenbildung in diesem Bereich führt.

Die Luftverteilung im Tank ist in den Abbildungen 11 und 12 dargestellt. Die Mikroblasen weisen aufgrund ihrer geringen Aufsteiggeschwindigkeit nur eine geringe Eigenbewegung auf und werden hauptsächlich durch die Strömung mitgeführt. Aufgrund des geringeren Durchflusses im Kundensystem werden die Mikroblasen langsam mitgeführt und weisen eine längere Verweildauer sowie eine höhere Konzentration auf, als dies im Auslegungssystem der Fall wäre.

Die Abbildungen 13 und 14 zeigen die turbulente kinetische Energie im Behälter. Die höchsten Werte werden am Ausgang des Einlaufabschnitts zum DAF gemessen.

Aufgrund des geringeren Zuflusses, der höheren Geschwindigkeiten und der höheren turbulenten kinetischen Energie ist die Phasentrennung im System des Kunden stärker ausgeprägt. Im Auslegungssystem werden die aufsteigenden Partikel nach oben transportiert und anschließend durch die Lamellen teilweise nach unten geleitet, wie in Abbildung 15 zu sehen ist. Im System des Kunden wird ein Teil der Partikel direkt mit der Strömung nach unten transportiert, ohne die Lamellen zu passieren.

3.2 Untersuchung der Gestaltung der Eingangsfenster

Neben der CFD-Simulation des gesamten DAF einschließlich der Einlassrohre werden zusätzliche Simulationen durchgeführt, die sich speziell auf die in Abschnitt 2.1 beschriebenen Einlassöffnungen konzentrieren. Für diese Simulationen wird das System des Kunden herangezogen. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen 16 und 17 dargestellt.

Das in den parallelen Fenstern entstehende Geschwindigkeitsprofil führt in jedem Fenster zu unterschiedlichen Strömungsmengen, doch der Blechzuschnitt zwischen den Fenstern verringert den Unterschied bei Strömungsmenge und Geschwindigkeit im Einlassbereich nur unwesentlich.

3.3 Untersuchung der Strömungsrichtung des Zulaufs zum DAF

Schließlich wird der Fall simuliert, in dem das Wasser nicht aus einem Tank durch ein Rohr einströmt, sondern linear und direkt auf den DAF ausgerichtet in diesen eintritt, wie es bei der Anwendung eines PFL-Plug-Flow-Flockungssystems der Fall wäre. Das Ergebnis ist in Abbildung 18 dargestellt.

Die Form des Strömungsgeschwindigkeitsprofils am Einlauf der Rohrbögen spielt eine entscheidende Rolle bei der Durchflussverteilung zwischen den Fenstern. Wenn der Durchfluss vollständig ausgebildet und direkt auf den Einlass des DAF ausgerichtet ist, zeigt sich eine gleichmäßige Verteilung zwischen beiden Fenstern. Betrachtet man hingegen den Ausfluss aus einem vorgelagerten Tank, so ist der in den DAF eintretende Durchfluss stark verformt, was eine gleichmäßige Verteilung zwischen beiden Fenstern verhindert.

4. Vorgeschlagene Maßnahmen zur Bewältigung der Turbulenzen

Im Folgenden werden Hypothesen-Handlungs-Paare für die verschiedenen untersuchten Szenarien aufgeführt.

A) Aufgrund des geringeren Durchflusses im System des Kunden kommt es zu einem Kurzschluss in der Strömungsverteilung, wodurch Partikel in den unteren Bereich des DAF im Einlaufbereich gespült werden. Um dies zu vermeiden, besteht eine Möglichkeit darin, die untere Öffnung zu verschließen, wie in Abbildung 19 dargestellt.

B) Der Blechzuschnitt zur Verbindung der parallelen Fenster würde nicht zu einer Verbesserung der Strömungsverteilung und der Einströmgeschwindigkeiten beitragen; daher würde diese Maßnahme verworfen.

C) Eine Anordnung der Zulaufleitung, bei der diese genau auf den DAF ausgerichtet ist, würde eine gleichmäßige Verteilung des Durchflusses ermöglichen, was die Turbulenzen verringern könnte.

All diese Überlegungen und Maßnahmen werden bei zukünftigen Projekten berücksichtigt. Das Ziel von SigmaDAF ist die kontinuierliche Verbesserung seiner Anlagen, um sie an jede Situation anzupassen.

5. Literaturverzeichnis und Danksagungen

ANSYS (2021): ANSYS FLUENT Theory Guide; Version 2021 R1.; ANSYS Inc.: Canonsburg, PA, USA.

Versteeg, H. K., & Malalasekera, W. (2007): Eine Einführung in die numerische Strömungsmechanik: Die Finite-Volumen-Methode. Pearson Education.

Wilcox, DC (1998): Turbulenzmodellierung für CFD. DCW Industries, Inc. La Canada, Kalifornien.

Danksagung:

Technologisches Institut von Aragón: ITAINNOVA

Hydrograv GmbH