Kundennutzen durch Erkenntnisgewinn mittels DEM-Simulationen in der Praxis Seite 1 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Black Box Seite 2 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Warum Simulieren? Motivation DEMSimulation? Kurzbeschreibung Rotorschleuderbrecher Zerkleinern Prallbrecher Beispiele Rotorshredder Zerkleinerung Doppelwellen-Chargenmischer Mischen Combimix Seite 3 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Entwicklung Konstruktionshilfsmittel Seite 4 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Warum Simulieren? Motivation Einzelversuche trad. Maschinenbauberechn. empirische. Berechn. systematische Versuchsreihen systematische Versuchsplanung Betriebsdatenerfassung FEM erlebnisbasierte Erfahrung Simulation systematische Datenauswertung Ausbildung klassisches technisches Unternehmenswissen Seite 5 weiterentwickeltes technisches Unternehmenswissen © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Warum Simulieren? Motivation INNOVATION Wissen Seite 6 Kundennutzen © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Erfolg 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 Reibung Haftung physikalischen Mehrkörpersystems betrachtet. 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 ElementSchwerkraft. Beispiel für die Entwicklung der Anzahl von Elementen in einem Berechnungsraum: 2006 ca. 40.000 2014 ca. 1.000.000 Seite 7 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Rotorschleuderbrecher Zerkleinern Prallbrecher Beispiele Rotorshredder Zerkleinerung Mischen Doppelwellen-Chargenmischer Combimix Seite 8 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Beispiele Grundlagen Prallzerkleinerung Energie die bei einem Prallvorgang übertragen wird: ∆𝐸 = 𝐸1 𝑣𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑚 𝑆𝑡𝑜ß + 𝐸2 𝑣𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑚 𝑆𝑡𝑜ß − (𝐸1 𝑛𝑎𝑐ℎ 𝑑𝑒𝑚 𝑆𝑡𝑜ß + 𝐸2 𝑛𝑎𝑐ℎ 𝑑𝑒𝑚 𝑆𝑡𝑜ß ) 1 𝐸 = 𝑚𝑣 2 2 ∆𝐸 = 𝑈 = 𝑚1 𝑚2 (𝑣1 − 𝑣2 )2 (1 − 𝑘 2 ) 2 𝑚1 + 𝑚2 ∆𝐸 = 𝐹 ∙ 𝑠 = 𝑃 ∙ 𝑡 Stoßkennzahl k = 0: 𝑣𝑜𝑙𝑙𝑘𝑜𝑚𝑚𝑒𝑛 𝑝𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒𝑟 𝑆𝑡𝑜ß k = 1: 𝑣𝑜𝑙𝑙𝑘𝑜𝑚𝑚𝑒𝑛 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑠𝑐ℎ𝑒𝑟 𝑆𝑡𝑜ß 𝑉𝑒𝑟𝑓𝑜𝑟𝑚𝑢𝑛𝑔: 𝑠 =? Kontaktzeit: 𝑡 =? Empirische Berechnung der Antriebsleistung (Beispiel): 𝑃𝑀 = 𝑐 ∙ 𝑚 ∙ 𝑣𝑢 2 𝑉= Seite 9 𝑉0 𝐿𝐷 𝑋 𝑘𝛽 𝑘𝐷 𝑘𝑆 𝑘𝑟 𝑘𝛿 𝑘𝑏 𝑐 = 3 ⋯ 300 1 𝑣𝑚𝑧𝑞 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Quelle: Stieß, M.: Mechanische Verfahrenstechnik, Band 2, Springerverlag 1994 Quelle: Höffl, K.: Zerkleinerungs- und Klassiermaschinen, Springerverlag 1986 Rotorschleuderbrecher – RSMX Aufbau der Maschine 1 Materialzuführungsstutzen 2 Zweikammer-Schleuderrotor 3 Ringpanzerung oder Sandbett 4 Materialausfallschacht 1 Seite 10 2 3 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 4 Rotorschleuderbrecher – RSMX Hochgeschwindigkeitsaufnahme Seite 11 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 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 Seite 12 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Rotordurchmesser: 1.200 mm Drehzahl: Durchsatzleistung: 1.130 1/min 120 t/h Rotorschleuderbrecher – RSMX Einzelkorn Geschwindigkeitsprofil Rotor Aufprall Flug Austrag Seite 13 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Ringpanzerung Rotorschleuderbrecher – RSMX Stoßzeit Seite 14 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Rotorschleuderbrecher – RSMX Stoßzeit Simulation – Einzelkornversuche Seite 15 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Rotorschleuderbrecher – RSMX Simulation Rotordurchmesser: 1.200 mm Drehzahl: Durchsatzleistung: Seite 16 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 1.130 1/min 120 t/h Prallbrecher PB Aufbau Maschine 1 Materialzuführung 2 Rotor mit Schlagleisten 3 Prallplatten 4 Materialauslaufschacht 1 Seite 17 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 2 3 4 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, 05.11.15 Prallbrecher PB Vergleich 2- und 3-Schläger-Rotor Durchsatzleistung: Schlagkreiseindringtiefe: 30 t/h gleich © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Prallbrecher PB Vergleich 2- und 3-Schläger-Rotor Durchsatzleistung: Schlagkreiseindringtiefe: 30 t/h gleich © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Prallbrecher PB Durchsatzleistung Seite 21 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Prallbrecher PB Verweilzeit (Beanspruchungshäufigkeit) Seite 22 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Rotorshredder – RS Aufbau der Maschine 1 Aufgabetrichter 2 Rotor mit Schlagelementen 3 Rost 4 Auslauftrichter 1 2 3 4 Seite 23 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Rotorshredder – RS Fragestellungen (Beispiele) Seite 24 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. © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Rotorshredder – RS massives Aufgabegut, Einzelschlägerbetrachtung Seite 25 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Rotorshredder – RS massives Aufgabegut, Einzelschlägerbetrachtung Seite 26 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Rotorshredder – RS Hochgeschwindigkeitsaufnahme Seite 27 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Rotorshredder – RS Simulation Waschmaschine Seite 28 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Rotorshredder Leistungsmessung Waschmaschine Simulationsergebnis 25 s Seite 29 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 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, 05.11.15 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, 05.11.15 Mischen - Mischgütebestimmung Varianz: 𝑠𝐾2 (𝑡) = 1 𝑛 𝑛 𝑥𝐾, 𝑖 𝑡 − µ𝐾 𝑖=1 2 𝑛 - Anzahl der Stichproben 𝑥𝐾, 𝑖 𝑡 - Anteil der Rezepturkomponente K in der Probe i zum Zeitpunkt t µ - Sollanteil der Rezepturkomponente in der Probe 𝑠𝐾2 (𝑡) Standardabweichung: 𝑠𝐾 (t) = Variationskoeffizient: 𝑠𝐾 (𝑡) 𝑣𝐾 (t) = µ𝐾 Mischgüte: 𝑴𝑲 = 𝟏 − 𝒗𝑲 (𝐭) 𝑀𝐾 = 0 vollständig inhomogene Mischung 𝑀𝐾 = 1 vollständig homogene Mischung Seite 32 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Mischen – Funktion Doppelwellen-Chargenmischer 600114430-001 Seite 33 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Mischen - Simulation des Mischprozesses Reale Teilchenmassen und Reibwerten Teilchengröße: Mischervolumen: © BHS-Sonthofen 15 – 32 mm 400 l Mischen – Beispiel Simulationsergebnisse Seite 35 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Mischen - Analyse Mischvorgänge Abb.: Fa. Eirich Doppelwellenmischer Seite 36 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Planetenmischer Mischen - Analyse Mischvorgänge • • • • • Mischguteigenschaften: Probenumfang: Probenmasse ges.: Einzelprobengröße: Probennahme: Seite 37 gleich gesamtes Mischgutvolumen 90 kg 1,8 kg 10 pro Umdrehung © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Mischen - Analyse Mischvorgänge v(u)=0,83 m/s Seite 38 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Mischen - Analyse Mischvorgänge v(u) = 13,2 m/s Seite 39 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Mischen – Kontinuierliche Prozesse © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Mischen – Kontinuierliche Prozesse © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 Mischen – Kontinuierliche Prozesse 25 Variationskoeffizient aus 10 Proben - Feine Partikel Variationskoeffizient aus 10 Proben - Mittlere Partikel Variationskoeffizient - VK [%] 20 Variationskoeffizient aus 10 Proben - Grobe Partikel Variationskoeffizient aus 10 Proben - Alle Partikel 15 10 5 0 20 40 60 80 100 120 140 Zeit [s] © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15 160 180 200 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Seite 43 © BHS-Sonthofen Dr. Angelo Schmandra - Vortrag Messe Schüttgut, Dortmund, 05.11.15
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