Ziel des Forschungsprojektes war es, die Staubfreisetzung aus Schüttgütern unter mechanischer und strömungsseitiger Beanspruchung besser zu beschreiben. Zum Erreichen der Ziele wurde ein experimentell/numerischer Ansatz zur Weiterentwicklung von Staubablösefunktionen verwendet. Dabei spielten sich die experimentellen Untersuchungen am Institut für Partikeltechnologie (IPT) in der Arbeitsgruppe Schmidt ab und die Weiterentwicklung der numerischen Methodik wurde in der Arbeitsgruppe Kruggel-Emden am Fachgebiet Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitung (MVTA) umgesetzt. In den ersten Projektphasen lag der Fokus auf der Ablösung einer Feingutfraktion anhaftend an einzelnen Schüttgutpartikeln, um die Ablösefunktionen auf physikalischer Einzelpartikelebene abzusichern. Anschließend wurden diese zudem auf ein frei fallendes, angeströmtes Schüttgut angewendet, um die Erkenntnisse auf die Schüttgutebene zu übertragen.
Hierfür wurde auf experimenteller Seite ein Referenzmaterial entwickelt, das aus einer Grobgut- und einer Feingutfraktion mit enger Partikelgrößenverteilung besteht und somit eine solide Grundlage für die Eingabeparameter in der Simulation bietet. Auf numerischer Seite wurde ein Simulationsrahmen entwickelt, der in der Lage ist, die adhäsiv anhaftenden Pulverpartikel abzubilden. Die Experimente in den Apparaturen (Fallapparatur, Windkanal) erforderten zunächst einige Umbauarbeiten und Modifikationen sowie für jede Apparatur eine sorgfältige Überlegung der Versuchsdurchführungen zur Schaffung wohldefinierter Bedingungen und der Vergleichbarkeit mit den Simulationen.
Die im Rahmen des Projekts erzielten und durch KMU nutzbaren Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- Der in diesem und im Vorgängerprojekt IGF 19411 N entwickelte Simulationsrahmen basierend auf der DEM/CFD ist von seiner Komplexität so beschaffen, dass er für industrielle Prozesse eingesetzt werden kann, mit kommerzieller Software realisierbar ist und eine Alternative zu experimentellen Untersuchungen, Prüfverfahren und empirischen Richtlinien darstellt.
- Für die Vorhersage von Staubablösung und die Kalibrierung/Validierung von DEM/CFD-Simulationen konnten experimentelle Verfahren weiterentwickelt werden. Diese beinhalten den Abwurf und die strömungsseitige Beanspruchung auf Einzelpartikel- und Schüttgutebene.
- Im Projekt konnten für die Belastungsfälle „mechanischer Aufprall“ und „strömungsseitige Beanspruchung“ deutlich verbesserte, kraftbasierte Staubablösefunktionen abgeleitet werden, welche die stofflichen Eigenschaften (Feingutpartikelgröße, adhäsive Haftkräfte) widerspiegeln und die Staubablösung physikalisch motiviert abbilden. Die Staubablösefunktionen erlauben neben der Quellstärke ebenfalls Aussagen zu den emittierten Staubpartikelgrößen, was für die Bewertung von gesundheitlichen Aspekten maßgeblich ist.
- Mit der Simulationsmethodik lassen sich neben speziellen Fragestellungen auch klassische Modellsysteme (z. B. offene Halden, freier Abwurf) untersuchen, mit denen einfache Rechenvorschriften abgeleitet werden können, die in der industriellen Praxis Anwendung finden können.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 01/2020 bis 12/2022 an der TU Berlin, Institut für Prozess- und Verfahrenstechnik, Mechanische Verfahrenstechnik und Aufbereitung (Straße des 17 Juni 135, 10623 Berlin, Tel.: 030/31426432) unter der Leitung von Prof. Dr. H. Kruggel-Emden (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr. H. Kruggel-Emden) und der Bergischen Universität Wuppertal, Institut für Partikeltechnologie (Rainer-Gruenter-Str. Geb. FF, 42119 Wuppertal, Tel.:0202/4393957) unter der Leitung von Prof. Dr. E. Schmidt (Leiter der Forschungseinrichtung: Prof. Dr. E. Schmidt).
Das IGF-Vorhaben Nr. 20974 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde im Rahmen des Programms „Industrielle Gemeinschaftsforschung (IGF)“ durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.