Energieeinsparung an Luftwebmaschinen durch Strömungssimulation
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- Katharina Bader
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1 Energieeinsparung an Luftwebmaschinen durch Strömungssimulation Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Philip Alexander Jungbecker Berichter: Universitätsprofessor Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. T. Gries Universitätsprofessor M.Behr, Ph.D. Tag der mündlichen Prüfung: 27. Juni 2012
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3 Textiltechnik/Textile Technology herausgegeben von Univ. Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries Philip Alexander Jungbecker Energieeinsparung an Luftwebmaschinen durch Strömungssimulation Shaker Verlag Aachen 2012
4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2012) Copyright Shaker Verlag 2012 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de
5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen in den Jahren 2007 bis Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thomas Gries danke ich für die Betreuung dieser Doktorarbeit und für das einmalige Umfeld, in dem ich arbeiten, forschen und lernen durfte. Bei Herrn Univ.-Prof. Marek Behr, Ph.D. bedanke ich mich für die Übernahme des Koreferates und bei Herrn Univ.-Prof. Dr.-Ing. André Bardow für die Übernahme des Vorsitzes bei der Prüfung. Für die intensive Betreuung, die vielen konstruktiven Gespräche und die vielen Dinge, die ich während meiner Zeit am Institut gelernt habe möchte ich Priv.- Doz. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Gunnar Seide herzlich danken. Allen Kolleginnen und Kollegen des ITA und anderer Institute gilt mein herzlichster Dank für die hervorragende Zusammenarbeit sowie die stete Hilfsbereitschaft. Auch bedanke ich mich bei allen Studenten, die mich bei der Erstellung dieser Arbeit unterstützt haben. Herrn Dr. Schäfer danke ich für das entgegengebrachte Vertrauen und die mir angebotene, hochinteressante Stelle bei der Oerlikon Barmag, die ich direkt nach Fertigstellung dieser Arbeit antreten durfte. Ganz besonders bedanke ich mich bei meiner Frau Nadine. Sie hat mir nicht nur vorgemacht, wie man ein Dr.-Ing. wird, sondern sie hat mich während der ganzen Zeit unterstützt, viel Geduld aufgebracht und mir den Rücken frei gehalten. Meinen Kindern Lena und Chris danke ich, dass sie mich immer wieder aufgemuntert haben und mir gezeigt haben, dass es im Leben wichtigere Dinge als eine Doktorarbeit gibt. Aachen, Juli 2012 Philip Jungbecker
6
7 Inhaltsverzeichnis 1 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Aufgabenstellung 5 2 Stand der Technik Luftwebmaschinen Funktionsweise Empirische Vorarbeiten zur Energiereduzierung von Luftwebmaschinen Numerische Vorarbeiten zur Energiereduzierung von Luftwebmaschinen Bisherige Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauches von Luftwebmaschinen Strömungsmesstechnik Numerische Strömungssimulation Fluidsimulation nach dem Ansatz der Finite-Volumen-Methode Lösungsalgorithmen Turbulenzmodelle Numerische Simulation von Garnkinematik Herausforderungen Vorarbeiten 37 3 Messtechnische Erfassung des Schusseintrages Vermessung der Strömung in einer Luftwebmaschine Versuchsaufbau Vermessung der Freistrahlströmungen von Haupt- und Stafettendüse Vermessung der Strömung im Riet Vermessung der Garnkinematik 59 4 Simulation des Strömungsfeldes in einer Luftwebmaschine Hauptdüse Geometrie Vernetzung 66
8 2 Inhaltsverzeichnis Randbedingungen Simulationsergebnisse Modellbildung Stafettendüsen Geometrie der 1-Loch-Düse Vernetzung der 1-Loch-Düse Randbedingungen für die Simulation einer 1-Loch-Düse Simulationsergebnisse der 1-Loch-Düse Modellbildung der 1-Loch-Düse Simulation einer 19-Loch-Düse Strömung im Riet Geometrie Vernetzung Randbedingungen Simulationsergebnisse Modellbildung Gesamtsimulation Geometrie Vernetzung Randbedingungen Simulationsergebnisse 99 5 Simulation der Garnkinematik während des Schusseintrags Geometrie und Randbedingungen Simulationsergebnisse Validierung der Simulationsergebnisse Hauptdüse Stafettendüsen Strömung im Rietkanal Garngeschwindigkeiten 123
9 Inhaltsverzeichnis 3 7 Optimierungspotential an Luftwebmaschinen Konstruktive Änderungen Variation der Stafettendüsenpositionen Variation der Stafettendüsenform Aerodynamische Abdichtung des Rietes Änderungen der Rietgeometrie Einzelversorgung der Stafettendüsen Mehrere Druckluftsysteme Alternatives Schusseintragsmedium Änderungen durch Maschineneinstellungen Variation des Stafettendüsenblasdruckes Adaption der Stafettendüsenblaszeiten Bewertung der Maßnahmen Umsetzung der Ergebnisse in eine elektronische Einstellhilfe Benutzerfreundlichkeit und Akzeptanz Eindimensionale Simulation des Schusseintrages Datenbank Optimierungsalgorithmus Ergebnisse der elektronischen Einstellhilfe Fazit Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Wirtschaftlichkeit von Strömungssimulationen Wirtschaftlichkeit der vorgeschlagenen Maschinenoptimierung Grundlagen der Kostenrechnung Kostenstruktur für nichttechnische Gewebe in Deutschland Kostenstruktur für technische Gewebe in Deutschland Kostenstruktur für nichttechnische Gewebe in China Kostenstruktur für technische Gewebe in China Vergleich der Kostenstrukturen Zusammenfassung 199
10 4 Inhaltsverzeichnis 11 Ausblick Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis 207
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