Simulation ist mehr als Software

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Schüttgut-Simulation erspart die Fertigung aufwendiger Prototypen

Betriebssicherheit im Silo

Silos dienen in der mechanischen Verfahrenstechnik als Zwischenspeicher für Schüttgüter. Die stetig steigende Nachfrage nach größeren Anlagen führt dazu, dass traditionelle, analytische oder auf empirischen Annahmen beruhende Konstruktionsmethoden immer wieder an ihre Grenzen stoßen. Insbesondere die Ermittlung der inneren Lasten des Schüttgutes im Silo stellt Konstrukteure vor Probleme. Partikelsimulationen auf Basis der Diskreten-Element-Methode (DEM) bilden solche Prozesse genau ab und können Antworten auf wichtige Fragestellungen geben.

Schüttgut muss betriebssicher und wirtschaftlich in Silos eingefüllt, gelagert, gegebenenfalls gemischt und entladen werden. Hierbei müssen die besonderen Eigenschaften des Schüttgutes berücksichtigt und zielgerichtete technische Anpassungen realisiert werden, damit ein reibungsloser Betrieb gewährleistet wird. Eine wichtige Anforderung ist vielfach die Homogenisierung und gleichmäßige Verteilung des Schüttgutes im Silo. Dazu stehen in der Praxis eine Reihe von Mischsilos zur Verfügung, die entsprechend den Kundenanforderungen individuell angepasst werden können und zusätzlich von den Herstellern stetig optimiert werden.

Silo mit Mischschnecke für Kunststoffgranulat

Ein Beispiel für die Silonutzung ist die Kunststoffrecyclingindustrie, bei der Kunststoffe gesammelt, gewaschen, zerkleinert, entstaubt und als Mahlgut einem Extruder zugeführt werden. In diesem konkreten Fall sollte das inhomogene geschredderte Kunststoffgranulat in einem Silo mit einer Mischschnecke homogenisiert und gleichmäßig verteilt werden. Das Silo wurde in hochwertiger Ausführung von der Firma Eichholz Silo- und Anlagenbau aus Aluminium gefertigt. Den gewünschten Schneckenantrieb von unten hatten die Silospezialisten bisher nur bei kleineren Anlagen verwendet. Deshalb war es während der Konstruktionsphase wichtig, die maximale Auslenkung des über 15 Meter langen, dünnwandigen Schneckenrohres aus Edelstahl und die Abstützungen so festzulegen, dass keinesfalls eine zu starke Durchbiegung und dadurch eine drohende Schädigung der Antriebswelle auftreten kann.

Über Eichholz Silo- und Anlagenbau

Das Unternehmen Eichholz Silo- und Anlagenbau GmbH ist ein mittelständisches Familienunternehmen, das mit ihren etwa 70 Mitarbeitern seit über 50 Jahren Silos und anwenderspezifische Komplettanlagen für das Handling von Schüttgütern realisiert. Zum Portfolio gehören Mischsilos mit Mischschnecken, Mischrohr und Mischkonus. Diese werden in vielen Varianten und Kombinationen für die unterschiedlichsten Kundenanforderungen und Schüttgüter gebaut. Über die Jahre hat sich Eichholz zu einem Fachbetrieb für die Herstellung von Aluminium- und Edelstahlsilos und zu einem Spezialisten für Schüttgüter entwickelt.

Die spezielle Herausforderung war, dass die Schnecke mittig sitzt und deshalb der Siloeinlass exzentrisch erfolgen muss, was zu einer ungleichmäßigen Belastung des Schneckenrohres – insbesondere während des Einfüllvorganges – führt. Für solche Szenarien existieren keine standardisierten Lastannahmen und keine Normen, mit denen eine betriebssichere Konstruktion erstellt werden kann. Deshalb hatte die Firma Eichholz die Berechnungsexperten von CADFEM beauftragt, anhand von Simulationen die erforderlichen Antworten auf die Fragen der Konstrukteure zu liefern. Mit der Simulation konnte die Belastung und Durchbiegung des Rohres für unterschiedliche Konstruktionsvarianten und Lastfälle ermittelt und verglichen werden, um daraus eine korrekte Dimensionierung der Bauteile festzulegen und somit jederzeit einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.

Herausforderungen beim Bau des Mischsilos
  • Mischschnecke ist besonders lang (17,2 m).
  • Schneckenrohr aus Edelstahl (umhüllt die Schnecke für bessere Förderung / Durchmischung) ist ebenfalls sehr lang (15,5 m) bei nur 5 mm Wandstärke.
  • Da die Schnecke mittig sitzt, ist der Einlass nur exzentrisch möglich, was zu ungleichmäßigen Belastungen und Durchbiegungen führt. 
  • Für dieses Szenario sind keine Lastannahmen oder Normen verfügbar, die zu Rate gezogen werden können. 
  • Zwischen Schnecke und Rohr besteht ein Luftspalt von 20 mm, der auch bei ungünstigsten Bedingungen erhalten bleiben muss, damit die Schnecke nicht am Rohr schleift.

Bild: Silo mit Schneckenrohr und exzentrischem Einlass

 Martin Westermann<br />Technischer Vertrieb, Eichholz Silo- und Anlagenbau GmbH
Martin Westermann
Technischer Vertrieb, Eichholz Silo- und Anlagenbau GmbH

Mit der Simulation konnten wir ein Verständnis dafür entwickeln, wie sich die Lasten im inneren des Silos verteilen und damit aufwändige Testaufbauten einsparen. Dies hat das Projekt beschleunigt und schafft Sicherheit für uns und unsere Kunden.

Einsatz der Simulation im Auslegungsprozess

In einem ersten Schritt wurden zwischen allen Projektbeteiligten die Zielgrößen, die Eingangsparameter und die zu untersuchenden Szenarien vereinbart. Danach erfolgte die Analyse des Schüttgutes und die für die Partikelsimulation notwendige Materialkalibrierung. Wichtige Kenngrößen sind zum Beispiel der Reibungskoeffizient des Schüttgutes, der mit Hilfe des Schüttgutwinkels ermittelt werden kann, und die Schüttdichte. Mit den von Eichholz zur Verfügung gestellten 3D-CAD-Daten der Geometrie des Silos konnten digitale Modelle erstellt werden, um im Anschluss die gewünschten Simulationen durchzuführen. In diesem konkreten Fall wurde die dynamische Wechselwirkung zwischen dem Schüttgut und den Bauteilen mit der Software Rocky DEM (DEM – Diskrete Element Methode) untersucht, und die mechanische Belastung der Bauteile mit Ansys Mechanical (FEM – Finite Element Methode) berechnet.

Für die Materialkalibrierung sind verschiedene Kenngrößen, z.B. der Reibungskoeffizient, ausschlaggebend.

Befüllvorgang und Verformungen des Schneckenrohres

Der Befüllvorgang wurde mit einer maximalen Anzahl von 1,3 Millionen Partikel (DEM) simuliert, wobei die Partikeldynamik mit einem Skalierungsmodell physikalisch korrekt wiedergegeben wurde. Für jeden Füllstand stellte sich mit einer Setzungssimulation des Materials die statischen Schüttwinkel ein und die Bewegung des Schüttgutes kam zum Erliegen. Anschließend konnten für die verschiedenen Füllstände die kritischen Lastpunkte und statischen Lasten ermittelt werden. Diese Ergebnisse wurden in Ansys importiert und weiterverarbeitet, so dass sich damit die Spannungen und Verformungen des Schneckenrohres ermitteln ließen. Außerdem wurden die ermittelten Lasten an den Tragwerksplaner Dr.-Ing. Grote übergeben, der die simulierten Lasten in seine Auslegung einbeziehen konnte.

Auf Basis dieser Ergebnisse ließ sich die Befestigung des Schneckenrohres korrekt dimensionieren und positionieren, so dass die Durchbiegung des Rohres zu keinem Zeitpunkt die Welle beeinträchtigte. Das gilt auch für den dynamischen Befüllungs- und Entladungsprozess. Aufgrund des Einsatzes einer Mischschnecke findet die Entladung des Silos sehr gleichmäßig statt. Folglich hat der Entladungsprozess, der ebenfalls exzentrisch erfolgt, keinen Einfluss auf die statischen Lasten am Schneckenrohr und ist daher unkritisch.

Vorteile der Simulation und Mehrwert für die Anwender

Die FEM-Berechnungen auf Basis der DEM-Simulationsergebnisse zeigten aber auch, dass die Blechstärke der oberen Abstützung zu gering war und deshalb der Befestigungsring der Belastung nicht standhalten würde. Die Materialstärke des Rings musste von 8 auf 12 mm erhöht werden, was zu einer Halbierung der lokalen Spannungen führte. Wäre die konstruktive Anpassung ohne Simulationen durchgeführt worden, hätte die Firma Eichholz über den Bau eines kostspieligen Prototypen das Verhalten des Silos testen müssen. Bei dieser Trial-und-Error Methode wäre viel zusätzliche Zeit notwendig gewesen. Mit den Simulationen und aufgrund der engen Kooperation zwischen Eichholz, dem Ingenieurbüro Grote und den Simulationsspezialisten von CADFEM konnten Kosten eingespart werden und der Eichholz-Kunde war in der Lage, alle Silos schneller in Betrieb zu nehmen.

Eichholz Silo- und Anlagenbau GmbH
www.eichholz.com

Autoren: Jan-Philipp Fürstenau, Gerhard Friederici (CADFEM Germany GmbH)
Bilder: © Eichholz, CADFEM
Veröffentlicht: Juni 2022

Contact CADFEM

Applikationsingenieur, Rocky
Dr.-Ing. Jan-Philipp Fürstenau