Energieeinsparung an Luftwebmaschinen durch Strömungssimulation

Das Ziel der Arbeit ist eine Systematik, mit deren Hilfe der Druckluftverbrauch von Luftwebmaschinen signifikant, d.h. mindestens um 10 %, reduziert werden kann. Das Kernstück der Systematik ist eine validierte numerische Simulation der Strömungsvorgänge und des Schusseintrags. Zur Herleitung der validierten Simulation werden Strömungsmessungen an Teilen einer Luftwebmaschine mittels Particle-Image-Velocimetry (PIV) vorgenommen. Es werden die Hauptdüse, die Stafettendüsen und die Strömung im Riet vermessen. Neben dem Strömungsfeld werden auch die Geschwindigkeitsverläufe von zwei Schussgarnen, einem 100 tex Baumwollgarn und einem 110 tex Polyestergarn mit Hilfe von High-Speed-Video-Technik (HSV) ermittelt. Die Simulation des Strömungsfeldes wird in Detailsimulationen der Hauptdüse, einer Stafettendüse und des Rietes aufgeteilt. Nach der Ermittlung und Validierung geeigneter Modelle zur Reduzierung des Rechenaufwandes werden diese Modelle in einer Gesamtsimulation zusammengeführt. In einem nächsten Schritt wird das ermittelte dreidimensionale Strömungsfeld für die Simulation der Garnkinematik verwendet. Die Simulationsergebnisse werden anschließend mit den Messergebnissen verglichen. Aufgrund der Erkenntnisse aus den Messungen und den Simulationen werden insgesamt 15 verschiedene Konzepte entwickelt und auf Kriterien wie Umsetzbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Energieeinsparpotential bewertet. Eine Adaption der Düsenblaszeiten erweist sich als sehr wirtschaftliche und effiziente Methode. Dabei werden die Ausschaltzeiten der Stafettendüsen so angepasst, dass die erste und die letzte Gruppe unbeeinflusst blieben und die dazwischenliegenden Zeiten gekürzt werden, so dass sich eine parabelförmige Ausschaltkurve ergibt. Der Energieverbrauch konnte an einer Technikumsmaschine des ITA um über 30 % reduziert werden. An einer Webmaschine im industriellen Betrieb konnten 10 % an Energie eingespart werden. Um die Ergebnisse für Webereien zugänglich zu machen, wird eine elektronische Einstellhilfe für Webmaschinen vorgestellt, die Parameter wie den Garntyp und die Daten der Webmaschine als Eingabe benötigt. Auf Basis einer Datenbank und reduzierter Simulationen der Garnkinematik während des Schusseintrages werden der Düsenblasdruck und die Düsenausschaltzeiten so angepasst, dass ein sicherer Schusseintrag bei geringem Energieverbrauch möglich ist. In einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung wird das Potential numerischer Simulationen unter wirtschaftlichen Kriterien betrachtet. Anschließend wird gezeigt, wie sich eine Einsparung durch die Adaption der Düsenblaszeiten auf die Produktionskosten technischer und nichttechnischer Gewebe in Deutschland und in China auswirkt.