Kundennutzen durch Erkenntnisgewinn mittels DEM-Simulationen in der Praxis

Transkript

1 Kundennutzen durch Erkenntnisgewinn mittels DEM-Simulationen in der Praxis Seite 1 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

2 Black Box Seite 2 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

3 Warum Simulieren? Motivation DEM- Simulation? Kurzbeschreibung Zerkleinern Rotorschleuderbrecher Prallbrecher Beispiele Rotorshredder Zerkleinerung Mischen Doppelwellen-Chargenmischer Combimix Seite 3 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

4 Entwicklung Konstruktionshilfsmittel Seite 4 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

5 Warum Simulieren? Motivation Einzelversuche trad. Maschinenbauberechn. empirische. Berechn. Betriebsdatenerfassung systematische Versuchsreihen systematische Versuchsplanung FEM erlebnisbasierte Erfahrung Simulation Ausbildung systematische Datenauswertung klassisches technisches Unternehmenswissen weiterentwickeltes technisches Unternehmenswissen Seite 5 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

6 Warum Simulieren? Motivation INNOVATION Wissen Kundennutzen Erfolg Seite 6 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

7 DEM-Simulation? Kurzbeschreibung Die Diskrete Element Methode (DEM) ist geeignet für die Darstellung bewegter granularer Medien. Diese werden als einzelne nicht zusammenhängende (diskrete) Elemente eines physikalischen Mehrkörpersystems betrachtet. Reibung Haftung An jedem Element können Kontakteigenschaften formuliert werden. Dämpfung Feder Die auf ein Element wirkende Gesamtkraft ergibt sich aus der Summe aller aus den Kontakteigenschaften resultierenden Kontaktkräften und der Element- Schwerkraft. Beispiel für die Entwicklung der Anzahl von Elementen in einem Berechnungsraum: 2006 ca ca Seite 7 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

8 Zerkleinern Rotorschleuderbrecher Prallbrecher Beispiele Rotorshredder Zerkleinerung Mischen Doppelwellen-Chargenmischer Combimix Seite 8 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

9 Beispiele Grundlagen Prallzerkleinerung Energie die bei einem Prallvorgang übertragen wird: E = E 1 vor dem Stoß + E 2 vor dem Stoß (E 1 nach dem Stoß + E 2 nach dem Stoß ) E = 1 2 mv2 E = U = m 1 m 2 2 m 1 + m 2 (v 1 v 2 ) 2 (1 k 2 ) Stoßkennzahl k = 0: vollkommen plastischer Stoß k = 1: vollkommen elastischer Stoß E = F s = P t Verformung: s =? Kontaktzeit: t =? Empirische Berechnung der Antriebsleistung (Beispiel): P M = c m v u 2 c = V = V 0 LD X k β k D k S k r k δ k b 1 v m z q Quelle: Stieß, M.: Mechanische Verfahrenstechnik, Band 2, Springerverlag 1994 Quelle: Höffl, K.: Zerkleinerungs- und Klassiermaschinen, Springerverlag 1986 Seite 9 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

10 Rotorschleuderbrecher RSMX Aufbau der Maschine 1 Materialzuführungsstutzen 2 Zweikammer-Schleuderrotor 3 Ringpanzerung oder Sandbett 4 Materialausfallschacht Seite 10 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

11 Rotorschleuderbrecher RSMX Hochgeschwindigkeitsaufnahme Seite 11 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

12 Rotorschleuderbrecher RSMX Fragestellungen (Beispiele) Bewegungsabläufe der Gesteinskörnungen am Schleuderprofil Ergebnis: Probleme mit der Haltbarkeit der Schleuderprofile wurden minimiert Durchsatzleistung Ergebnis: Bei gleichen Rotorabmessungen können bedeutend höhere Durchsatzleistungen erreicht werden Drehmomente bezogen auf die Durchsatzleistung Ergebnis: Wichtige Erkenntnisse zur Antriebsauslegung und Dimensionierung der Maschinenelemente Kräfte auf die Ringpanzerung und die Schleuderprofile Ergebnis: Wichtige Erkenntnisse zur Größe der Kräfte und der Kraftangriffspunkte Rotordurchmesser: mm Drehzahl: /min Durchsatzleistung: 120 t/h Seite 12 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

13 Aufprall Rotorschleuderbrecher RSMX Einzelkorn Geschwindigkeitsprofil Rotor Ringpanzerung Flug Austrag Seite 13 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

14 Rotorschleuderbrecher RSMX Stoßzeit Seite 14 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

15 Rotorschleuderbrecher RSMX Stoßzeit Simulation Einzelkornversuche Seite 15 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

16 Rotorschleuderbrecher RSMX Simulation Rotordurchmesser: mm Drehzahl: /min Durchsatzleistung: 120 t/h Seite 16 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

17 Prallbrecher PB Aufbau Maschine 1 Materialzuführung 2 Rotor mit Schlagleisten 3 Prallplatten 4 Materialauslaufschacht Seite 17 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

18 Prallbrecher PB Fragestellungen (Beispiele) Wie unterscheiden sich Rotoren mit unterschiedlicher Anzahl von Schlagleisten bezüglich Materialeinzugsverhalten Durchsatzleistungen Kräften an den Schlagleisten Rotordrehmoment Wie ist das Zerkleinerungsverhalten zu beurteilen? Seite 18 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

19 Prallbrecher PB Vergleich 2- und 3-Schläger-Rotor Durchsatzleistung: Schlagkreiseindringtiefe: 30 t/h gleich BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

20 Prallbrecher PB Vergleich 2- und 3-Schläger-Rotor Durchsatzleistung: Schlagkreiseindringtiefe: 30 t/h gleich BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

21 Prallbrecher PB Durchsatzleistung Seite 21 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

22 Prallbrecher PB Verweilzeit (Beanspruchungshäufigkeit) Seite 22 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

23 Rotorshredder RS Aufbau der Maschine 1 Aufgabetrichter 2 Rotor mit Schlagelementen 3 Rost 4 Auslauftrichter Seite 23 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

24 Rotorshredder RS Fragestellungen (Beispiele) Welche Kräfte wirken bei massiven Aufgabegütern auf die Schläger, die Schlägerbefestigung und den Rost Wie verändert sich die Durchsatzleistung z.b. durch Veränderung der Rotordrehzahl, der Anzahl der Schlagebenen, der Anzahl der Schläger pro Schlagebenen, der Rostgestaltung (offene Fläche, Form)? Welche Drehmomente wirken auf die Maschinenachse? Wie ist das Bewegungs- und Zerkleinerungsverhalten bei der Zerkleinerung großvolumige zäher Aufgabegüter? Durchführung von Vergleichssimulationen zu systematischen Versuchsreihen. Seite 24 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

25 Rotorshredder RS massives Aufgabegut, Einzelschlägerbetrachtung Seite 25 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

26 Rotorshredder RS massives Aufgabegut, Einzelschlägerbetrachtung Seite 26 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

27 Rotorshredder RS Hochgeschwindigkeitsaufnahme Seite 27 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

28 Rotorshredder RS Simulation Waschmaschine Seite 28 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

29 Rotorshredder Leistungsmessung Waschmaschine Simulationsergebnis 25 s Seite 29 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

30 Zerkleinerungsvorgänge Simulation Einzelkorn Teilchengeschwindigkeit 40 m/s 60 m/s 100 m/s Quelle: Institut für Aufbereitungsmaschinen, TU Bergakademie Freiberg Seite 30 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

31 Mischen Was ist das Ziel? Positionierung (getrennter) Teilchen/Stoffe in eine neue Ordnung Wie erreicht man das Ziel? Relativbewegung zwischen den Teilchen/Stoffen Seite 31 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

32 Mischen - Mischgütebestimmung Varianz: s K 2 (t) = 1 n n i=1 x K, i t µ K 2 n - Anzahl der Stichproben x K, i t - Anteil der Rezepturkomponente K in der Probe i zum Zeitpunkt t µ - Sollanteil der Rezepturkomponente in der Probe Standardabweichung: s K (t) = s K 2 (t) Variationskoeffizient: v K (t) = s K(t) µ K Mischgüte: M K = 1 v K (t) M K = 0 vollständig inhomogene Mischung M K = 1 vollständig homogene Mischung Seite 32 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

33 Mischen Funktion Doppelwellen-Chargenmischer Seite 33 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

34 Mischen - Simulation des Mischprozesses Reale Teilchenmassen und Reibwerten Teilchengröße: Mischervolumen: mm 400 l BHS-Sonthofen

35 Mischen Beispiel Simulationsergebnisse Seite 35 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

36 Mischen - Analyse Mischvorgänge Abb.: Fa. Eirich Doppelwellenmischer Planetenmischer Seite 36 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

37 Mischen - Analyse Mischvorgänge Mischguteigenschaften: Probenumfang: Probenmasse ges.: Einzelprobengröße: Probennahme: gleich gesamtes Mischgutvolumen 90 kg 1,8 kg 10 pro Umdrehung Seite 37 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

38 Mischen - Analyse Mischvorgänge v(u)=0,83 m/s Seite 38 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

39 Mischen - Analyse Mischvorgänge v(u) = 13,2 m/s Seite 39 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

40 Mischen Kontinuierliche Prozesse BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

41 Mischen Kontinuierliche Prozesse BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

42 Variationskoeffizient - V K [%] Mischen Kontinuierliche Prozesse 25 Variationskoeffizient aus 10 Proben - Feine Partikel Variationskoeffizient aus 10 Proben - Mittlere Partikel 20 Variationskoeffizient aus 10 Proben - Grobe Partikel Variationskoeffizient aus 10 Proben - Alle Partikel Zeit [s] BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,

43 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 43 BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund,