Lehrstuhl für Anlagentechnik
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Item Untersuchungen zur Adsorption in Aktivkohlebehältern ottomotorisch betriebener Personenkraftwagen(2006-01-17T15:37:49Z) Sohnemann, Jens; Schmidt-Traub, H.; Kümmel, R.Zur Adsorption von Benzindämpfen im Bereich des Kraftstoffversorgungssystems ottomotorisch betriebener Personenkraftwagen werden Aktivkohlebehälter eingesetzt. Weil der verfügbare Bauraum zumeist klein und verwinkelt ist, besitzen die Behälter komplizierte Formen, die für die Adsorption nicht ideal sind. Infolge eines Mangels an Stoffdaten und geeigneten theoretischen Ansätzen zur Beschreibung der dynamischen Adsorptionsvorgänge erfolgt die Entwicklung, Auslegung und Prüfung hauptsächlich auf Basis aufwendiger Versuche. Ziel dieser Arbeit ist daher, ein mathematisches Modell aufzustellen, das als Grundlage für die Simulation der Adsorptionsvorgänge dienen kann. Hierfür erforderliche und bisher nicht verfügbare Stoffdaten sowie zur Validierung notwendige Messdaten werden experimentell ermittelt. Die Umsetzung dieser Aufgabenstellung ist in drei Teilbereiche gegliedert: 1. Modellierung dynamischer Adsorptionsprozesse: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Modell zur Beschreibung dynamischer Gemischadsorptionsvorgänge entwickelt. Es basiert auf den gekoppelten Stoff- und Wärmebilanzen für die Gasphase und die feste Phase sowie auf den Strömungsgleichungen. Es ist zweidimensional formuliert und berücksichtigt die adsorptionsbedingte Abnahme des Gesamtvolumenstroms. Die Berechnung des Druck- und Geschwindigkeitsfeldes aus Kontinuitäts- und Impulsgleichungen erfolgt simultan mit der Lösung der Stoff- und Wärmebilanzen. Mittels Koordinatentransformation wird das Gleichungssystem auch für einen konischen Adsorber formuliert. Damit ist es in dieser Arbeit erstmals gelungen, zweidimensionale Profile der Zielgrößen für diesen Anwendungsfall zu berechnen. 2. Durchführung von Analysen, Gleichgewichtsmessungen und Durchbruchsuntersuchungen: Der experimentelle Teil dieser Arbeit besteht aus drei Hauptabschnitten. Zunächst wurden umfangreiche chemische, physikalische und mechanische Analysen der Adsorbentien durchgeführt. Dadurch werden beispielsweise Daten über die Härte, den Druckverlust und insbesondere die Porenradienverteilung zur Verfügung gestellt. Die Porenanalyse erfolgte mittels Pyknometrie, Adsorption von Stickstoff bei 77 K und durch Quecksilberintrusion. Mit diesen Methoden konnten Porenvolumenverteilungen für den gesamten Porenbereich ermittelt werden. Die für die Simulationsrechnungen unverzichtbare breite Grundlage von Adsorptionsgleichgewichten, die aus der Literatur nicht verfügbar ist, wurde durch eigene Messungen gelegt. Diese Daten wurden im zweiten Abschnitt des experimentellen Teils ermittelt. In dieser Arbeit wurden insgesamt 18 Isothermen von elf Stoffsystemen gemessen. Es wird damit eine Datenbasis von mehreren hundert einzelnen Gleichgewichtspunkten bereitgestellt. Sie bietet eine Grundlage für weitergehende Analysen der Adsorption von Kohlenwasserstoffen an Aktivkohle und für die Simulation dynamischer Prozesse in Adsorbern. Im letzten Teil wurde die Datengrundlage für die Modellvalidierung gelegt. Hierfür wurden Durchbruchsversuche im Labormaßstab und im technischen Maßstab durchgeführt. Einzelne experimentelle Ergebnisse werden mit Referenzdaten aus der Literatur verglichen. Auf dieser Grundlage erfolgt eine Bewertung der Güte der eigenen Messungen. 3. Simulation von Adsorptionsprozessen: Die Simulationsergebnisse im letzten Abschnitt der Arbeit liefern zweidimensionale Profile der Zielgrößen, die gute Übereinstimmung mit Messergebnissen zeigen. Damit ist es erstmals möglich, das Emissionsverhalten eines Pkw-Aktivkohlebehälters auf Grundlage von Simulationsergebnissen vorherzusagen und zu beurteilen. Für den Fall eines zylindrischen Adsorbers wird beispielsweise deutlich, dass das radiale Temperaturprofil, das durch die Wärmeabfuhr über die Wand verursacht wird, einen größeren Einfluss auf die Beladungsverteilung hat als das radiale Profil der Axialgeschwindigkeit. Für die Validierung des Modells werden eigene Messungen im technischen Maßstab herangezogen. Darüber hinaus werden Ergebnisse aus der Literatur benutzt, um zusätzliche Nachweise für die richtige Funktion des Modells zu erhalten. Weiterhin werden Parameterstudien präsentiert, die für andere Anwendungsfelder der Adsorption relevant sind. Dies liefert die Grundlage dafür, dass das Modell zukünftig zur Analyse des dynamischen Verhaltens beliebiger Stoffsysteme benutzt werden kann, bei denen zweidimensionale Effekte wichtig sind.Item Rechnergestützter Entwurf von Grundmodellen und deren Verrohrung als Mittel der Aufstellungsplanung und Kostenschätzung im Anlagenbau(Universität Dortmund, 2005-05-23) Lederhose, Michael; Schmidt-Traub, H.; Gruhn, VolkerIm Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methodik zur Erzeugung und Bewertung von Aufstellungskonzepten entwickelt und in Form eines Softwaresystems implementiert. Die als Computer Aided Plant System bezeichnete Software unterstützt den Prozess der Aufstellungsplanung durchgängig von der Modellierung und Raumbedarfsabschätzung der Ausrüstungen über die Konzeption des Stahl- und Massivbaus bis hin zur automatischen Erzeugung der Anlagenverrohrung. Bei jedem dieser Arbeitsschritte wird der Planer durch hinterlegte Standards und Automatismen in seinen Entscheidungen unterstützt. Ein integriertes Bewertungs- und Analysemodul erlaubt eine kontinuierliche Verbesserung des erzeugten Entwurfs und ist in der Lage durch unterschiedliche Lösungsansätze erzeugte Aufstellungsvarianten miteinander zu vergleichen.Der Anwendungsbereich der Software deckt hierbei unterschiedliche Aufgabenstellungen ab, von der in der Angebotsphase geforderten Kostenkalkulation bis hin zu detaillierten Aufstellungskonzepten im Rahmen des Basic Engineering. Daher war bei der Entwicklung eines geeigneten Softwarekonzepts für die Umsetzung, neben der Abdeckung der geforderten Funktionalität, eine hohe Flexibilität des entstehenden Systems eine der Hauptforderungen. Dies wurde durch die Verwendung eines modularen Ansatzes bei der Implementierung der Software erreicht. Jedes einzelne Modul repräsentiert hierbei ein entsprechendes Arbeitsgebiet innerhalb des Planungsprozesses. Neben der Konzeption und Umsetzung des Software bildete die Erzeugung und anschließende Bewertung der Anlagenverrohrung einen Schwerpunkt dieser Arbeit. Die Integration eines leistungsfähigen Algorithmus zur Generierung der Rohrführungen unter Berücksichtigung einer größtmöglichen Anzahl an verfahrenstechnischen und konstruktiven Randbedingungen führt zu einer praxisnahen Verrohrung. Durch die Möglichkeit einzelne Bereiche der Anlage, beispielsweise Ausrüstungen oder zuvor verlegte Rohrleitungen, aus der im Routing-Algorithmus integrierten Kollisionsprüfung auszuschließen, lassen sich direkte Einflüsse der Aufstellungsplanung auf die erzeugte Leitungsführung ablesen. Diese können für eine Bewertung der Rohrleitungsführung im Hinblick auf mögliches Optimierungspotential genutzt werden. Hierdurch besteht die Möglichkeit einer iterativen Verbesserung des erzeugten Aufstellungskonzepts. Um zu einer aussagekräftigeren Bewertung der erzeugten Verrohrung zu kommen, wurde ein vom verwendeten Routing-Algorithmus unabhängige Methode zur Ermittlung von Rohrleitungsführungen entwickelt. Hierbei werden die bei der Verrohrung in der Anlage zu berücksichtigenden Randbedingungen selektiv so eingeschränkt, das eine theoretisch optimale Rohrleitungsführung erzeugt wird. Durch Anwendung dieser Leitungsführung als objektives Vergleichskriterium können die durch den Routing-Algorithmus generierten Ergebnisse nach der Stärke ihres Optimierungspotentials sortiert werden und der Planer kann sich auf die Leitungen mit für die Konzeptphase kostenrelevanten Abweichungen konzentrieren.Der Einsatz eines Konzeptphasensystem sowohl im Bereich der Angebotsbearbeitung als auch bei der Unterstützung der Aufstellungsplanung führt zu einer Verbesserung der Planungsergebnisse bei gleichzeitiger Reduzierung des notwendigen Planungsaufwands.Item Extended Equipment-Modelling für die rechnergestützte Aufstellungsplanung von Chemieanlagen(Universität Dortmund, 2005-02-25) Burdorf, Axel; Schmidt-Traub, H.; Wozny, G.Die CAE-Systeme, die in der chemischen Industrie bei der Planung verfahrenstechnischer Anlagen eingesetzt werden, sind auf den Bedarf des Detail Engineering ausgerichtet. Diese Softwaresysteme bilden die reale Anlage immer genauer ab, werden dadurch aber komplexer in ihrer Anwendung und erfordern aufwändige Vorbereitungen, bevor ein Projekt bearbeitet werden kann. Diese Systeme sind daher für die Aufstellungsplanung im Rahmen des Extended Basic Engineering nicht geeignet.Für Abschätzungen und vergleichende Studien müssen andere Systeme bereitgestellt werden. Da nur bei rund einem Zehntel der erstellten Aufstellungskonzepte später die Planung auch tatsächlich durchgeführt wird, ist es besonders wichtig, durch neue Methoden die anfallenden Kosten für die konzeptionelle Layoutplanung gering zu halten. Im Rahmen dieser Arbeit sind neue Methoden des Extended Equipment-Modelling für die rechnergestützte Aufstellungsplanung entwickelt und in der Software CAPD (Computer Aided Plant Design) zur Überprüfung der Anwendbarkeit realisiert worden. Die Ergebnisse aus Beispielprojekten zeigen, dass die Equipment-Modelle den Platzbedarf der Ausrüstungen inklusive Eigenverrohrung und Zugangsräumen sehr gut abschätzen. Die Ausrüstungspositionierung und die Rohrleitungsplanung vereinfachen sich durch den Einsatz der Extended Equipment-Modelle.Zur Erzeugung des Anlagengerüsts ist ein neues Softwaremodul entwickelt und in CAPD integriert worden. Es bietet die Möglichkeit, Anlagengerüste sowohl automatisiert als auch manuell zu generieren. Das Softwaremodul stellt Funktionen zur Abbildung der Infrastruktur, bestehender Anlagenteile sowie anderer Bauwerke, die bei der Platzierung und Rohrleitungsplanung Berücksichtigung finden müssen, bereit.Die Einführung einer integrierten 3D-OpenGL Grafik beschleunigt den Planungsprozess durch die schnellere und realistischere Visualisierung der Ergebnisse. Die virtuelle Besichtigung der gesamten Anlage ist in jedem Planungsstadium in Echtzeit möglich.Der Einsatz der rechnergestützten Methoden in der Anlagenplanung leistet einen Beitrag zur Verbesserung der Planungsqualität, weil Fehler durch die Analysen erkannt sowie Optimierungspotenziale durch Variantenvergleich aufgezeigt werden können.Es ist jetzt möglich, ausgehend von der Apparate- und Stutzenliste sowie den verbindenden Rohrleitungen die Arbeitsschritte Platzbedarfsermittlung, Stahlbau- und Layoutentwurf, Rohrleitungsstudie, Analyse und Bewertung sowie 3D-Review innerhalb einer Software durchzuführen.