Buses de texturation de l'air innovantes - Réduction de la consommation d'énergie dans le monde
Für die Herstellung und Veredelung von ca. 68 Millionen Tonnen Kunstfasern sind weltweit zehntausende Texturierdüsen im Einsatz. Für die Erzeugung der Druckluft werden 1.5 GW an Energie benötigt, welche mehrheitlich in Entwicklungsländer aus fossilen Brennstoffen gewonnen wird. Daher hat die Hochschule Rapperswil in Zusammenarbeit mit der Heberlein AG ein Projekt gestartet, um den Energieverbrauch der Düsen zu reduzieren. Mit Hilfe von numerischen Strömungssimulationen und geometrischen Optimierungen konnte eine innovative Düse entwickelt werden, welche den benötigten Luftverbrauch um 25% reduziert.
Was ist die Innovation? | Mit Hilfe numerischer Strömungssimulationen wird die Effizienz von Lufttexturierdüsen zur Herstellung von Kunstfasern für die Textilindustrie verbessert: Die komplexe Luftströmung innerhalb der Lufttexturierdüsen wird am Computer numerisch berechnet (Navier-Stokes-Gleichungen) und kann nun im Detail analysiert werden. Einflüsse von verschiedenen Parametern wie z.B. Betriebsdruck oder Veränderungen der Düsengeometrie auf die Luftströmung können somit am Computer visualisiert und beurteilt werden. Dies ist Stand der Technik. Die Neuheit in diesem Projekt stellt aber die Verwendung des sogenannten Adjoint-Solvers dar. Mit diesem Verfahren ist es möglich, eine auf eine bestimmte Zielgrösse optimierte Geometrie mathematisch herzuleiten und numerisch zu lösen. Dies bedeutet einen enormen Vorteil gegenüber bisherigen Vorgehensweisen wie ausgedehnte Laborversu-he, trial-and-error Verfahren oder sehr aufwändigen Parameterstudien, da mit diesem Verfahren das Ziel innerhalb kürzerer Zeit, mit weniger Aufwand und ohne spezifisches Wissen über die komplexen Strömungsvorgänge in einer Apparatur erreicht werden kann. |
Welche Verbesserung wurde erzielt? | Die Reduktion des Luftverbrauchs um 25% bei gleichbleibender Texturierleistung konnte im Labor anhand von Prototypen nachgewiesen werden. |
Welche technische Lösung wurde durch den Ingenieur geleistet? | Der sogenannte Adjoint-Solver – ein automatisierbarer Geometrieoptimierungs-Algorithmus im Bereich der numerischen Strömungssimulation (CFD) – konnte erfolgreich angewandt werden. |
Welche CO2-Einsparung wurde bisher erreicht? | Noch keine, da erst im Prototypenstadium |
Welche CO2-Einsparung wird prognostiziert? | Der gesamte Energiebedarf für die Druckluftbereitstellung für Lufttexturierdüsen wird auf weltweit 1.5 GW geschätzt. Dieser Energiebedarf wird in den Textilproduzierenden Ländern wie China, Indien oder Bangladesch grösstenteils aus fossilen Brennstoffen bereitgestellt. Mit der Annahme, dass durch diese Art der Stromerzeugung im Schnitt 1 kg CO2 pro Kilowattstunde emittiert werden, ergeben sich jährliche CO2 Emissionen von 13 Millionen Tonnen. Werden im Laufe der Zeit alle Lufttexturierdüsen auf den Stand der nächsten Generation mit 25% höherer Effizienz gebracht, bedeutet dies eine Einsparung von weltweit 3.3 Millionen Tonnen CO2 jährlich. |
Welche Herausforderungen durchlief das Projekt? | Verschiedene Düsen sollten mit diesem Verfahren optimiert werden. Nicht bei allen eignet sich die angewandte Methode gleichermassen. Dies hat damit zu tun, dass sich nicht alle Zielgrössenoptimierungen gleichermassen mathematisch formulieren und numerisch lösen lassen, z.B. wegen vorhandenen Symmetrien in der Geometrie oder der Strömung. |
Welchen Beitrag leistet diese Innovation zum Erhalt und Förderung der Biodiversität? | Durch die neuen Lufttexturierdüsen kann der Energiebedarf für die Druckluftbereitstellung weltweit um ca. 375 Megawatt reduziert werden. In den produzierenden Ländern wie China, Indien oder Bangladesh (in welchen die Stromerzeugung hauptäschlich aus fossilen Brennstoffen erfolgt) bedeutet dies weniger Schadstoffausstoss. |