Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
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Spritzstrahlreinigung
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Spritzstrahlreinigung

Bei der Spritzstrahlreinigung ist für die intensive Reinigungswirkung die Form und Anordnung der Düsen besonders wichtig. Sie müssen gewährleisten, dass alle verschmutzten Teile während des Reinigungsprozesses erreicht werden. Ein komplexer Prozess, den es gilt durch Simulation besser zu verstehen und zu optimieren.

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Lebensmitteltanks
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Lebensmitteltanks

Eines der am häufigsten verwendeten Reinigungsverfahren in der Lebensmittelindustrie ist die Spritzstrahlreinigung. Dabei werden mit einem Strahl Verschmutzungen von der Lebensmittelanlage entfernt, z.B. auch in Lebensmitteltanks.

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Spritzstrahlreinigung gitterfrei simulieren

SpraySim – Spritzstrahlsimulation für periodisch arbeitende, bewegte Reinigungsdüsen mit innovativem, gitterfreiem Ansatz und 2D-Wirkungsmodell

 

Automatisierte Reinigung wird in unterschiedlichsten Anwendungsfeldern eingesetzt. Im Projekt SpraySim konzentrieren wir uns auf Cleaning in Place (CIP) Systeme aus der Lebensmittel-, Getränke- und Pharmaindustrie, bei denen die Reinigungsflüssigkeit über Düsen als zerfallener Spritzstrahl auf die zu reinigenden Oberflächen gelangt. Gerade in diesen Branchen kann auf die Reinigung nicht verzichtet werden, sonst leidet die Produktqualität. Außerdem geht eine teils mehrmals täglich durchgeführte Reinigung in die Kosten, erfordert einen hohen Energieverbrauch und verursacht umweltschädigende Abwässer.

Simulationen sparen Zeit, Kosten und Experimente

Zur Steigerung der Effizienz sind bisher fast ausschließlich empirische Ansätze basierend auf Experimenten im Einsatz. Durch Experimente können die Reinigungsprozesse aber nur begrenzt aufgelöst und verstanden werden. Dies sind gute Gründe dafür, vielversprechende neue Ansätze und Forschungsthemen näher zu untersuchen – so wie die Reinigung mit diskontinuierlicher Strömung. Strömungssimulationen finden in der Entwicklung von Reinigungssystemen hauptsächlich für das Düseninnere Beachtung, obwohl sie allgemein einen hochaufgelösten Einblick in das Störmungsfeld geben und potenziell bei der Entwicklung Zeit sparen. Bisher fehlen hier aber effiziente Simulationsmodelle, die mit vertretbarem Rechenaufwand aussagekräftige Ergebnisse liefern.

Düsensimulation
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Vergleich von Experiment und Simulation für eine Vollkegeldüse

Herausforderungen bei der Kombination von 3D-Spritzstrahlsimulationen mit 2D-Wirkungsmodellen

Hauptziel des Projektes ist die numerische Simulation diskontinuierlicher Spritzstrahlen – auch für bewegte Düsen. Wir verfolgen einen gitterfreien Ansatz. So erzielen wir industrietaugliche Rechenzeiten und ermöglichen anschließend Optimierungen hinsichtlich bestimmter Parameter, wie beispielsweise der Reinigungswirkung. 

Unsere Herangehensweise kombiniert 3D-Spritzstrahlsimulationen mit 2D-Wirkungsmodellen. Die Grundlage zur Validierung bildet eine umfangreiche experimentelle Untersuchung der Strömung und der Reinigungswirkung durch den Projektpartner Fraunhofer IVV in Dresden

Dadurch ergeben sich aus Simulationssicht neue Herausforderungen:

  • Bestimmung der notwendigen Auflösung in den gitterfreien 3D-Spritzstrahlsimulationen
  • Abbildung von Kavitation in Vollkegeldüsen
  • Herleitung der 2D-Wirkungsmodelle
  • Optimierung der Betriebsparameter

Als Ergebnis erwarten wir neben validierten Modellen erstmalig Vorhersagen, die sich auf Simulationen stützen. Besonders hinsichtlich geeigneter Pulsationsparameter zerfallener Spritzstrahlen und deren Bewegung bei der Reinigung tragen sie zum besseren Verständnis des Prozesses bei. Die Simulationsmodelle werden in einer Softwareplattform gebündelt. Im Fokus der Softwareentwicklung steht die einfache Nutzbarkeit. Denn insbesondere bei kleinen und mittelständigen Unternehmen (KMU) ist so das Potenzial größer, die Software einzusetzen und damit die Entwicklung neuer Düsen zu beschleunigen sowie die Effizienz automatisierter Reinigungssysteme signifikant zu verbessern.

Video: Detailsimulation – Impakt eines Tropfens auf einen dünnen Wasserfilm

Impakt eines Tropfens auf einen dünnen Wasserfilm

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