CFD-Einsatz bei GEA – Wissenschaft statt Raterei bei der Produktkonstruktion
27 Aug 2020
Im Folgenden erläutert GEA, wie die numerische Strömungsmechanik (engl. Abk. CFD) im Bereich der Sprühtrockner für Lebensmittelzutaten, Stärke und Proteine für genauere Kostenkalkulationen, höhere Konstruktionspräzision, detailliertere Einblicke in Prozessabläufe sowie drastisch reduzierte Risiken für den Kunden sorgen kann.
Im Kontext der Sprühtrocknung von Lebensmittelzutaten, Stärke und Proteinen gilt die Numerische Strömungsmechanik als bewährtes Verfahren zur Ermittlung des Verhaltens besagter Stoffe während ihrer Trocknung – und dies im Rahmen einer Computersimulation, also noch vor der eigentlichen Konstruktionsphase.
Die CFD ist im industriellen Bereich alles andere als neu. In vielen Branchen wie etwa der Luft- und Raumfahrt- sowie der Automobilindustrie ist die CFD längst ein integraler Bestandteil des Produktentwicklungsprozesses. Bei der Sprühtrocknung von Lebensmittelzutaten, Stärke und Proteinen stehen jedoch andere Variablen im Mittelpunkt: der Kunde und sein Produkt.
Stig Skalshøj Christensen ist Vertriebstechniker bei GEA. Ihm zufolge ist jeder Kunde und jedes Produkt anders. „Unsere Kunden arbeiten mit diversen Ausgangsstoffen und verfolgen nicht selten etwas unterschiedliche Ziele. Wenn wir potentielle Kunden von unserer Technik überzeugen und so zum Kauf bewegen wollen, müssen wir in der Lage sein, diese Kunden sowie ihre Produkte und Ziele zu verstehen.“
Kristian M. Ingvorsen leitet den CFD-Bereich bei GEA. Er fasste die Vorteile dieses Prozesses für die Kundschaft wie folgt zusammen. „Zum einen erfolgen sämtliche Tests auf dem Rechner, nicht vor Ort“, so Ingvorsen. „Tests vor Ort sind nicht nur schwierig, sondern auch kostspielig. Computersimulationen hingegen bestechen mit geringen Kosten und der Abwesenheit jeglicher Risiken beim Prüfen. Zweitens gewährt die Modellierung tiefe Einblicke in den Prozess und gibt so im Detail Aufschluss darüber, wie Veränderungen bestimmter Eingangsparameter den Gesamtprozess beeinflussen. Dieser Ansatz ist der traditionellen Versuchs- und Irrtumsmethode, bei der viele Details Gegenstand von Spekulationen bleiben, eindeutig überlegen.“
Sojaproteinfabrik in Asien
Stig Skalshøj Christensen führte das Beispiel einer Sojaproteinfabrik in Asien an. Das Unternehmen setzte bereits große Sprühtrockner ein, wollte aber seine Kapazität verdoppeln. Hierzu wollte man nur mehr einen einzigen riesigen Sprühtrockner verwenden, aber eine derart große Maschine war bis dahin noch nie bei einer solchen Anwendung zum Einsatz gekommen. Deshalb musste man zuerst die Machbarkeit prüfen und bei positivem Bescheid sodann die konkreten Konstruktionsmerkmale des Trockners definieren, die sowohl einen effizienten Betrieb als auch die vom Kunden geforderte Produktqualität gewährleisten würden.
„Unserem CFD-Team gelang es, die Daten von einem zur Behandlung eines ähnlichen Produkts verwendeten Sprühtrockner in die Computersimulation einzulesen und sodann die Größe und Kapazität der Kammer zu erhöhen, um die Auswirkungen dessen zu studieren. Erst nachdem das CFD-Team die technische Machbarkeit des Baus eines derart großen Trockners bewiesen hatte, stellten wir unsere Lösung dem Kunden vor. Dieser akzeptierte unser Angebot und das Projekt wird derzeit gerade realisiert. Der Betrieb eines einzigen Sprühtrockners wird dem Kunden jede Menge Geld in den Bereichen Investitionsausgaben sowie Installations- und Baukosten sparen. Ohne die Vorteile der CFD wäre dieses Projekt viel zu riskant gewesen und der Kunde hätte sich stattdessen wahrscheinlich für eine kostspieligere und zugleich weniger effiziente Lösung mit zwei Trocknern entschieden“.
Klein aber oho
Die Simulation kann aber auch zu einem unerwarteten Ergebnis kommen. So mag ein Kunde zwar denken, er bräuchte einen Sprühtrockner einer bestimmten Größe, aber dank der CFD können die Ingenieure von GEA eindeutig zeigen, dass sich das gleiche Ergebnis auch mit einer kleineren Maschine erzielen ließe. „Auch dies spart dem Kunden Geld, nicht nur beim Kauf des Trockners selbst, sondern auch bei Installations-, Bau- und langfristigen Betriebskosten“, so Christensen. „Je kleiner der Trockner, umso besser, solange er seine Aufgabe erfüllt.“
Die wahre Kompetenz
Lars Voigt zeichnet bei GEA für die Verwaltung von Konstruktionswerkzeugen und -daten verantwortlich. Er ist überzeugt, dass es darauf ankommt, mit Kollegen als Team zusammenzuarbeiten, denn nur so lassen sich alle Kenntnisse über den Kunden und seine Anwendung zusammenführen und genauestmögliche Daten in den „Virtuellen Prüfstand“, wie Voigt es nennt, einlesen. GEA hat die vom Virtuellen Prüfstand gelieferten Berichte standardisiert, was den Prozess beschleunigt und Voigt in die Lage versetzt, nützliche Informationen für die Entscheidungsfindung zu extrahieren.
„Hier kommt die Kompetenz ins Spiel“, erläutert Voigt. „Wir sind darauf spezialisiert, Modellannahmen zu machen und Modelle zwecks schneller, zuverlässiger Entscheidungsfindung entsprechend anzupassen. Basierend auf der Interpretation der vom CFD-System gelieferten Daten zeigen wir auf, wie sich eine bestimmte Ausrüstung für einen konkreten Kunden maßschneidern lässt. Es gilt, Daten in Wissen zu verwandeln. Und das möglichst schnell.“
Zeit ist Geld
Und mit schnell meint Voigt binnen kürzester Zeit. „Dank unseren bewährten Betriebsabläufen und der Unterstützung seitens unseres erfahrenen Teams können wir häufig binnen zwei Wochen zuverlässige Schlüsse ziehen, während unsere Konkurrenz nicht selten mindestens zwei Jahre benötigt, da sie vorab ein entsprechendes Forschungsprojekt durchführen muss. Geschwindigkeit spielt auch bei der Fehlersuche und -behebung eine wichtige Rolle. Beispielsweise kann man per Simulation den Grund für Ablagerungen in einem Sprühtrockner herausfinden und vor allem natürlich die zur Beseitigung dieses Problems erforderlichen Anpassungen vornehmen.
Aber es gibt noch weitere, längerfristige Anwendungsbereiche für die CFD. Forschung und Entwicklung ist bei GEA ein kontinuierlicher Prozess, der zwecks Förderung der Evolution vorhandener Produkte und Entwicklung neuer Produkte großteils auf CFD-Analysen basiert. Aber laut Voigt ist dies beim Auftreten eines dringenden Problems natürlich nur von zweitrangiger Bedeutung. „Unsere Projekte richten sich stets nach dem Zeitplan unserer internen wie externen Kunden.“
Die praktischen Vorteile
Wie wir gesehen haben, ist die CFD in Kombination mit dem ingenieurtechnischen Know-how von GEA ein mächtiges Werkzeug. Es dient z. B. zur Senkung von Kosten, zur zeitsparenden Beurteilung der Auswirkungen von Konstruktionsänderungen auf Produkte, zur frühzeitigen Einsicht in den Konstruktionsprozess und Vermeidung der Notwendigkeit physischer Prüfungen, zur optischen Darstellung des Informationsflusses von jeder beliebigen Stelle des Systems aus, was beim Einsatz von Sensoren und Messinstrumenten unmöglich wäre, zur konstrukteursseitigen Modellierung beliebiger Bedingungen zwecks Prüfung von Durchfluss- und Wärmeaustauschvorgängen sowie zur gefahrlosen Durchführung von Experimenten mit nicht selten extremen Parametereinstellungen.
Der Faktor GEA
GEA verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung in der Verfahrenstechnik für den Bereich Lebensmittelzutaten. Dies spiegelt sich in der Anzahl der weltweit in Betrieb befindlichen Anlagen sowie im konkurrenzlosen Know-how der Verfahrenstechniker von GEA wider.
Stig Skalshøj Christensen glaubt, dass die CFD in Kombination mit der langjährigen Erfahrung und dem umfangreichen Produkt- und Prozess-Know-how des Unternehmens ein Alleinstellungsmerkmal darstellt und den Kunden von der Robustheit von GEA-Lösungen überzeugt. „Die Software allein reicht nicht“, so Christensen. „Es kommt auf die Vision, das Know-how und die Erfahrung des Teams an, das sich dem jeweiligen Projekt widmet. Der Kunde soll wissen, dass wir uns nicht einfach nur auf Computerprogramme verlassen, sondern die Technik zur ergebnisorientierten Anwendung unserer Erfahrung nutzen. Ich bin überzeugt, dass GEA dies besser und schneller kann als alle Mitbewerber, insbesondere im Falle extrem großer Sprühtrockner, die unserer besonderen Kenntnisse bedürfen.“
Jeder Kunde möchte sicher sein, dass seine Sprühtrockenanlage für seine konkrete Anwendung maßgeschneidert wurde und optimal funktioniert. Früher bedeutete dies unweigerlich, gewisse Kompromisse einzugehen und auf Nummer sicher zu gehen. Heute jedoch lassen sich dank der CFD-Modellierung die Grenzen des Möglichen erheblich verschieben. Dies verschafft Kunden auf dem umkämpften Markt einen Wettbewerbsvorteil und gestattet ihnen die schnelle, sichere und kostengünstige Entwicklung neuer Produkte.
