Projekt 22301/01

Entwicklung von energie(druckverlust)optimierten Bogenelementen mit nicht kreisförmigem Querschnitt nach dem Mäander-Prinzip

Projektdurchführung

BIONIK-SystemeApplied R&D
Hauptmann-Böse-Weg 9
28213 Bremen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung energie(druckverlust)optimierter Rohrelemente mit rechteckigem Querschnitt, wie sie unter anderem in Lüftungs- und Klimaanlagen verwendet werden. Durch energetisch vorteilhaftere, geometrisch beeinflusste Strömungsumlenkung in den Rohrelementen sollen die Umlenkverluste mittels systematischer Optimierung minimiert werden. Vorbild für diesen bionischen Entwicklungsansatz sind Strömungsumlenkungen in natürlichen Flusssystemen (Mäander). Die bisher als symmetrische Kreissegmente gestalteten Rechteckkanal-Rohrbögen sollen durch eine asymmetrische Formgebung strömungsgünstiger gestaltet werden.
Die Verminderung des Druckverlustes soll im Bereich von 20 % liegen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenFür die Durchführung der Entwicklungsarbeiten wurden Versuchsmessstrecken mit drei verschiedenen Strömungsquerschnitten (Breite x Höhe: 300x300 mm2, 300x600 mm2 und 600x300 mm2) aufgebaut. Als Strömungsmedium wurde Luft benutzt. Optimierte Rohrbögen wurden größtenteils handgefertigt.
Die ausgewählten optimierten und standardisierten 90°-Umlenkelemente (Rohrbögen) wurden durch definierte Winkelvariationen experimentell vermessen und hinsichtlich des Druckverlustes im Rohrbogen optimiert d. h. minimiert. Der Versuchsstand einschließlich der Umlenkelemente sind Bauteile aus praktischer Anwendung. Die gefundenen optimierten Umlenkelemente können auf diese Weise direkt in industrierelevante Strömungsanlagen zur Verifizierung der Optimierungsergebnisse eingebaut und geprüft werden. Für die so genannte Parameter-Optimierung der Umlenkelemente wurden verschiedene Optimierungsstrategien, unter anderem Gradientenstrategie und Evolutionsstrategie, herangezogen.
Die experimentellen Ergebnisse wurden schließlich mit berechneten Ergebnissen verglichen sowie aus einem Praxiseinsatz erwartete ökonomische bzw. ökologische Vorteile bewertet.


Ergebnisse und Diskussion

Die experimentell erzielten Ergebnisse führten bei allen durchgeführten Energieeffizienz-Experimenten zu einer Reduzierung der Druckverluste in den Bogenelementen. Abhängig von der Größe der Strömungsquerschnitte lagen die Druckverlustminderungen in den optimierten Rohrbogenformen zwischen 2,5% (Strömungsquerschnitt Breite x Höhe = 600 x 300 mm2) und ca. 22,5% (Strömungsquerschnitt Breite x Höhe = 200 x 200 mm2).
Im Vergleich zu den konventionellen, symmetrischen Rohrbögen (Kreissegment) besitzen ausnahmslos alle optimierten Rohrbogenformen die erwartete asymmetrische Geometrie zur effizienteren verlustärmeren Strömungsumlenkung. Nach positiven Ergebnissen vorangegangener experimenteller Untersuchungen durch Bionik-Systeme® Ende der 1990er Jahre bestätigen die vorliegenden Ergebnisse die Wirksamkeit des Mäander-Effekts® in Formelementen von Rohrtransportsystemen nur bedingt. Umweltrelevante Auswirkungen, des praktischen Einsatzes bionischer Rohrbögen können durch die Energieeffizienzsteigerung zu Einsparungen fossiler Energie sowie verringertem CO2-Ausstoß führen. Technische Vorteile wie ein geringerer reibungsbedingter Verschleiß in bionischen Rohrbögen, speziell bei Schütt- und Stückguttransporten, können in der Folge durch Einsparung an Material und Fertigungs-aufwand ebenso vermindernd auf Umweltbelastungen einwirken.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ein Ergebnis aus dem Projekt wird im Rahmen einer Bionik-Wanderausstellung bundesweit präsentiert.
Durch die Beteiligung am Konsortium Umweltorientierte Optimierung von Lüftungsanlagen (OptiLa) konnten bereits zwei Veranstaltungen mit Forschungs- und Industriepartnern in Osnabrück und Essen durchgeführt werden. Dort wurden verschiedene Lösungswege und technische Anwendungen diskutiert, die auch die Ergebnisse dieses Vorhabens mit einbeziehen.
Eine erste konkrete Entwicklungs-Zusammenarbeit wird gegenwärtig mit der Fa. Westatlex in Gütersloh vorbereitet. Es handelt sich hierbei um Energieeffizienz-Verbesserungen für vorhandene Anlagen bzw. spezielle Rohrsysteme der Fa. Westatlex.
Ferner sind Vorträge über die energetischen und umwelttechnischen Vorteile der Projektlösungen auf Kongressen und in verschiedenen Industriebranchen geplant.


Fazit

Das anspruchsvolle Vorhaben, Bogenelemente mit Rechteckquerschnitt druckverlustvermindert zu entwickeln, konnte nur bedingt erreicht werden.
Es war beabsichtigt, so nahe wie möglich an der Nahtstelle zwischen Entwicklung und industrieller Anwendung zu arbeiten. Aus diesem Grund wurde das Experiment einer Simulation vorgezogen.
Es sind im Verlauf der Arbeiten Erfahrungen für einen späteren Industrieeinsatz der optimierten Bogenelemente entstanden, die durch eine reine Simulationstechnik wohl nicht erzielt worden wären.
Die entwickelte direkte Optimierungsmethode zur Verbesserung der Energieeffizienz in Rohrbogenelementen adaptiert die strömungsoptimierten Verläufe von natürlichen Fließgewässern für strömungstechnisch optimierte Bogenelemente. Erste Verlaufsanalysen von Fließgewässern in der Natur zeigen gewis-se Ähnlichkeiten mit Verlaufsformen von technisch optimierten Bogenelementen. Die Entwicklung von druckverlustminimalen technischen Bogenelementen durch systematische Analysen von biologischen mäandrierenden Fließsystemen mit folgender bionischer Anwendung ist ein Entwicklungsweg, der noch weiter verbessert werden kann und ggf. künftig für industrielle Anwendungen interessant werden könnte.