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Verfahrenstechnik 6/2015

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MESSEN, REGELN,

MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN I ACHEMA Auf Fehlersuche Engineering-Werkzeug für die Fehleranalyse in einem Heizgerät Zhili (Alex) Quin, Prashanth Shankara Im Alltag des Ingenieursdienstleisters spielt die effiziente und schnelle Fehlersuche für Kunden eine zentrale Rolle. Deshalb ist es sehr wichtig, dass man die richtigen Werkzeuge, aber auch kompetente Ingenieure hat. Dieser Artikel beschreibt, wie eine moderne numerische Simulationssoftware in den Händen eines guten Ingenieurs zu einem effizienten und effektiven virtuellen Fehlersuchwerkzeug wird. Zeeco Inc. ist ein Anbieter von Verbrennungs- und Umweltlösungen, der sich mit Konstruktion und Herstellung von Brennern, Fackeln und Verbrennungsöfen beschäftigt. Ein Kunde sprach das Unternehmen wegen eines problematischen Heizers an, der nur eine geringe Leistungsfähigkeit hatte. Mithilfe der Simulationssoftware Star-CCM+ von CD-adapco wurde eine virtuelle Fehlersuche am Heizgerät durchgeführt und so die Ursache der mangelnden Leistung gefunden. Probleme des Heizgerätes Das Heizgerät zeigte während des Betriebs mehrere Probleme: n Verkokungen: Verkokung ist die Ausbildung von Verbrennungsrückständen an der Innenseite der Rohre des Heizers, was deren Wärmeübertragungskapazität verringert. Die Prozessrohre enthalten kohlenwasserstoffhaltige Flüssigkeiten und die schwereren Anteile in der Flüssigkeit sind anfällig für das Verkoken. Während des Betriebs wurde das Verkoken der Prozessrohre entdeckt. n Laufzeit: Der Heizer war dafür ausgelegt, für neun bis zehn Monate ohne Wartung zu laufen. Wegen der Probleme mit dem Verkoken musste er jedoch jeweils nach drei bis vier Monaten abgeschaltet werden, um die Verkokungen in den Rohren zu beseitigen. n Temperaturverteilung: Temperaturmessungen am Metall der Rohre zeigten eine ungleichmäßige Temperaturverteilung und Wärmestromdichten auf der Rohroberfläche. Eine visuelle Fehlersuche am Heizgerät und seinen Komponenten ist sehr schwierig und nicht praktikabel, weil es kaum möglich ist, ins Innere zu gelangen. Zeeco beschloss deshalb, virtuelle Simulationen zu nutzen, um die Verhältnisse im Heizgerät zu untersuchen. CFD-Setup des Heizgeräts Das CAD-Modell der Geometrie des Heizers wurde mit Solidworks erstellt. Das Berechnungsmodell enthielt die Abstrahlzone mit Prozessrohren, Brennern und Luftverteilsystem. Das Rechengebiet wurde in Star- CCM+ mit 13 Mio. Hexaeder dominanten Zellen vernetzt, in denen die Navier-Stokes- Gleichungen gelöst wurden. Es wurde nur eine Hälfte des Heizers modelliert und eine Symmetrierandbedingung für die andere Hälfte angenommen. Das Gitter wurde im Bereich der Brenner verfeinert, um das Strömungsfeld und die Verbrennung realistisch auflösen zu können. Das Heizgerät war 26 m lang, 7,6 m hoch und 3 m breit und wurde maßstäblich modelliert. Der sequenzielle Strömungslöser in Star- CCM+ ist ideal für langsame Strömungen geeignet und wurde hier verwendet. Die Treibstoff-Gas-Mischung im Heizgerät war Raffineriegas, das Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe wie Methan und Propan enthält. Star-CCM+ enthält eine komplette Palette von Verbrennungsmodellen, um verschiedene Verbrennungsvorgänge zu simulieren. Das Multikomponentenmodell wurde genutzt, um die verschiedenen Komponenten des Gases zu modellieren. Das Eddy-Breakup-(EBU)-Modell diente zur Modellierung der nicht-vorgemischten Verbrennung der Spezies, indem die individuellen Transportgleichungen für die gemittelten Spezies auf dem Gitter gelöst wurden. Autoren: Zhili (Alex) Quin, Zeeco Inc., CFD Engineer, Broken Arrow, USA; Prashanth Shankara, Technical Marketing Engineer, CD-Adapco, Northville, USA 01 Vorhersage der Brennerflammen durch Star-CCM+ in der Ansicht von links (links) und vorn (rechts) 64 VERFAHRENSTECHNIK 6/2015

ACHEMA I MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN Die Zündung wurde aufgrund der Charakteristik der Flammen im Heizer nicht berücksichtigt, und das Standard-EBU-Modell wurde als ausreichend angesehen, um die Verbrennung in Verbindung mit dem Realizable k-ε-Turbulenzmodell zu modellieren. Strahlungseffekte wurden unter Verwendung des Gray-Thermal-Strahlungsmodells in Star-CCM+ berücksichtigt. Fehlersuche mit Simulation Bild 01 zeigt das berechnete Profil der Flammen in Form von Isoflächen der Verbrennungsspezies. Die Verbrennungsluft tritt von rechts nach links in den Luftverteiler ein, was bewirkt, dass die Flammen aufgrund der immer geringeren, zur Verfügung stehenden Luftmenge rechts höher sind als am linken Ende. Der Brenner am linken Rand zeigt ein abweichendes Verhalten, das sich durch die Konstruktion des Verteilers erklären lässt. Das Anliegen der Flammen an der Seitenwand wurde durch Beobachtung durch Löcher im Heizer verifiziert. Bild 02 zeigt die Konzentration von Kohlenmonoxid (links) und unverbrannten Kohlewasserstoffen (rechts) in der Mittelfläche jedes Brenners. Es zeigt sich, dass das CO schnell verbrannt wird, was bedeutet, dass die Verbrennung vollständig ist. In Bild 04 ist die Sauerstoffmenge in der zentralen Ebene aller Brenner dargestellt. Die quantitative Analyse der Sauerstoffkonzentration zeigt, dass die Sauerstoffrestmenge bei 5 % liegt, was der Auslegung des Heizgeräts entspricht. Die Prozessflüssigkeit tritt oben in das Heizgerät ein und unten wieder aus, sodass die Temperatur von oben nach unten zunimmt. Die in Bild 03 dargestellte visuelle Analyse der Temperatur des Rohrmaterials unterstreicht diesen Effekt. Die Analyse der Rauchgastemperatur an den Rohren zeigt heiße Stellen an der rechten Seite, während die linke Seite kühler ist. Bei jedem Heizgerätdesign ist eine gleichförmige Verteilung des Wärmestroms an der Oberfläche der Rohre eine Voraussetzung für reibungslose Funktion. Ein ungleichmäßiger Wärmestrom führt zu schlechtem Heizverhalten und zum Verkoken der Kohlenwasserstoffe im Heizgerät. Bild 05 zeigt die Verteilung des Wärmestroms an der Oberfläche der Rohre. Schnitte im linken, mittleren und rechten Bereich des Heizers wurden untersucht, um die Verteilung des Wärmestroms zu analysieren. Der gewichtete Wärmestrom repräsentiert das Verhältnis des lokalen Wärmeflusses zum mittleren Wärmefluss aller Rohre für alle Rohroberflächen. Es zeigt sich, dass die Rohroberfläche auf der linken Seite weniger Hitze aufnimmt als die rechte Seite. Probleme und Lösungen Bei Prozessheizgeräten zeigt sich oft ein höherer Wärmestrom im unteren Bereich, wo die Flammen in den Heizer eintreten, während weiter oben geringerer Wärmeübergang und Wärmestrom vorherrschen. Das bedeutet, dass die Rohroberfläche rechts mehr Wärme aufnimmt als die Oberfläche links. Dies wiederum führt aufgrund der hohen Temperaturen zum Verkoken der Kohlenwasserstoffe. Damit ist die Verteilung der Wärmeübertragung an der Rohroberfläche als Ursache der schlechten Wirkungsweise des Heizers identifiziert. Es wurde empfohlen, mehr Leit- und Umlenkbleche in das Luftfüh- 04 Konzentration von Sauerstoff in der Mittelfläche aller Brenner rungssystem einzubauen, um die Strömungsverhältnisse dort zu verändern. Dies sollte zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Luft zu allen Brennern führen, was wiederum das zu starke Heizen an einer Seite des Heizgeräts beseitigen sollte. Zeeco nutzte Star-CCM+ erfolgreich, um den Betrieb des Heizgeräts zu simulieren und die Ursache der Fehlfunktion zu identifizieren. Die Empfehlungen für eine höhere Leistungsfähigkeit basieren auf numerischer Simulation. Star-CCM+ ermöglichte es Zeeco, die ingenieurstechnische Fragestellung des Kunden schnell und kosteneffizient zu beantworten. Dies unterstreicht die Eignung von Star-CCM+ als Schlüsselwerkzeug im Bestand jeder Ingenieursberatung. Halle 9.2, Stand C10 www.cd-adapco.com 02 Konzentration von CO (links) und unverbrannten Kohlenwasserstoffen (rechts) in der Mittelfläche aller Brenner 03 Temperatur des Rohrmaterials (links) und des Rauchgases an den Rohren (rechts) 05 Wärmefluss an der Oberfläche der Rohre VERFAHRENSTECHNIK 6/2015 65

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