Ingenieurbüro für angewandte Strömungsmechanik

Kosten & Nutzen von CFD

Am Beispiel eines Dampfkessels, der mit Hilfe von CFD-Untersuchungen optimiert wurde, wird gezeigt, wie CFD zur Kostenreduktion beitragen kann.

Die Ursachen der Schäden, die in regelmäßigen Zeitabständen in einem Dampfkessel auftreten, sollen festgestellt werden. Die Ergebnisse der Simulationen werden zur endgültigen Beseitigung des Problems in einem Reengineering des Dampfkessels berücksichtigt.

Das Problem

In regelmäßigen Abständen erodieren die Rohre eines Wärmetauschers und große Mengen an Leckagewasser treten aus. Die Schäden treten in dem Bereich auf, der mit einem roten Punkten in Abbildung 1 gekennzeichnet ist. Die geschädigten Rohre müssten regelmäßig repariert werden. Dies führte zu enormen Stillstandskosten.

Ursache der Schäden

In einem Dampfkessel wird das Abgas einer Brennkammer um einige Wärmetauscher geführt. Das heiße Gas gibt Wärme an das Wasser, das in den Rohren der Wärmetauscher fließt, ab. Somit wird das Wasser verdampft. Die Geometrie des Kessels ist in Abbildung 1 dargestellt. Die transparenten Blöcke stellen die Wärmetsaucher dar. Die Pfeile zeigen die Strömungsrichtung an.

Das von der Brennkammer stammende Gas beinhaltet Ruß- und Aschepartikeln, die in der Simulation berücksichtigt werden.

Die Ergebnisse der Simulation zeigen, dass die Strömung des Abgases und damit der Partikeln durch die Spalte zwischen den Wärmetauschern und den äußeren Wänden stark beschleunigt wird. Abbildung 1 zeigt die Verteilung der Partikeln im Kessel mit Hilfe einer Konturdarstellung. Rot kennzeichnet eine hohe Partikelkonzentration. Blau zeigt eine niedrige Konzentration an.

Durch die hohen Geschwindigkeiten und die Partikelträgheit entsteht eine hohe Konzentration von schnell fließenden Partikeln in dem gefährdeten Bereich des Kessels. Eine Erosion der Rohre ist die Folge.

Verhalten der Partikeln im unoptimierten Kessel

Neues Design

Um die Erosion der Rohre zu vermeiden, sollen die Partikeln gleichmäßig über den Querschnitt des Kessels verteilt werden. Die Stellen, die hohe Strömungsgeschwindigkeiten aufweisen, sollten niedrige Partikelkonzentrationen ausweisen.

Unter Berücksichtigung der Einbaumöglichkeiten, wie Position der Mannlöcher, und der Kapazität der Anlage, wie Gesamtdruckverlust, werden Leitbleche eingebaut, die eine gleichmäßige Verteilung der Partikeln sichern.

Insgesamt wurden 36 Konstruktionsvariationen simuliert. Abb. 2 zeigt die umgesetzte Lösung.

Seit dem Umbau (Feb. 99) des Kessels sind keine weiteren Schadensfälle gemeldet worden. Vor dem Umbau waren mehrere Reparaturen im Jahr notwendig.

Das für CFD eingestezte Kapital beträgt einen Bruchteil der erzielten Ersparnisse im ersten Jahr nach der Umbauarbeiten.

Verhalten der Partikeln im optimierten Kessel

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