Jade Hochschule 雅德应用技术大学Studienort Wilhelmshaven 校区：威廉港Fachbereich Ingenieurwissenschaften 工学Prof. Dr. Bernhard Winter

Verfahrenstechnische Modellierung 过程工艺模型化- in der Lehre und Forschung / 在教学和研究中 -

1. Beispiele von Systemen und Prozessen in der Verfahrenstechnik 过程工艺中的系统和程序示例

2. Modellarten 模型类型3. Projekte 项目

Provinz Anhui Provinz Zhejiang

Partneruniversität: 合作伙伴

1. Beispiele von Systemen und Prozessen in der Verfahrenstechnik 过程工艺体系和程序示例 Einteilung der Verfahrenstechnik in verschiedene Fachgebiete: 各专业领域中的过程工艺

- Mechanische Verfahrenstechnik 机械工艺过程- Thermische Verfahrenstechnik 热工艺过程- Chemische Verfahrenstechnik 化学工艺工程- Bioverfahrenstechnik 生物工艺工程

Industrielle Anlagen 工业装备 ∘ Mechanische Verfahrenstechnik: 机械工艺过程

Dekanter (Schneckenzentrifuge), 螺旋离心机GEA WestfaliaTrennung Erdölschlamm 石油残留物分离Auslegung:Drehzahl, Geometrie, Stoffströme分析：转速、结构、流向

∘ Thermische Verfahrenstechnik: 热工艺过程

Rektifikationskolonne 炼油塔Erdöl 石油生产商：Maschinen- und Anlagenbau GmbH GrimmaAuslegung / 分析 :Höhe, Durchmesser, Energiebedarf高度、直径、能源需求

Einbandtrockner, Babcock-BSH GmbH 隧道烘干Lebensmittelindustrie, Teigwaren 食品工业、面食产品Auslegung / 分析 :Trocknungszeit (Bandlänge, Bandgeschwindigkeit), Luft-, Wärmebedarf干燥时间（传送带长度及速度）、空气和温度需求

2. Modellarten 模型类型 ∘ Künstliche Modelle (mathematische Modelle) 人工模型 （数学模型） ∘ Natürliche Modelle (Labor-, Technikumsanlagen) 自然模型（实验和技术设备）

2.1. Mathematische Modelle 数学模型 ∘ Naturwissenschaftlich begründetes Modell 自然科学建立的模型 ∘ Stark vereinfachtes naturwissenschaftlich begründetes Modell 简化建模 Genauigkeit ∘ Modell durch Ähnlichkeitstheorie 近似理论模型 nimmt ab! ∘Statistisches Modell 统计模型

2.1.1. Naturwissenschaftlich begründetes Modell 自然科学建立的模型Allgemeine Transportbilanz der Verfahrenstechnik für folgende Erhaltungsgrößen:针对下列参数的一般过程工艺传导平衡 ∘ Wärme/Energie 热量 / 能量 ∘ Masse 质量 ∘ Impuls 脉动

准确度逐渐下降

Zeitterm = Konvektionsterm + Konduktionsterm + Übergangsterm + Quellterm时间因素 = 对流因素 + 传导因素 + 过渡因素 + 热源因素

Beispiel: Komplette Wärme-/Energietransportbilanz in kartesischen Koordinaten:总热量 - 能量衡算

Simultane Lösung von drei Gleichungen für die Wärme/Energie, Masse und Impuls nicht möglich.

c T

t

w c T

x

w c T

y

w c T

z

xa

c T

x

ya

c T

y

za

c T

z

a T r h

p x p y p z p

p p p

r R

Zeitterm 时间因素 Konvektionsterm 对流因素

Konduktionsterm 传导因素 Übergangsterm 过渡因素

Qellterm 热源因素a = λ/(cp ρ) Temperaturleitzahl, m²/s

Anwendung 应用 : Instationäre Wärmeleitung in einer Platte 板内的非稳态热传递

Zeitfunktion der Temperaturverteilung温度分配的时间方程

T

ta

T

x

2

2

Zeitterm 时间因素Konduktionsterm传导因素

2.2. Natürliche Modelle 自然模型 ∘ Größenabstufung: 大小标度

Laboranlage实验室设备

Kleintechnische Anlage

小型实验装备

Pilotanlage早期设备

Industrielle Anlage

工业设备

Maßstab 标准 1 10 100 1.000

∘ Laboranlage: 实验室装置

Laboranlage zur Wasserdampfdestillation, schonende Reinigung hochsiedender Stoffe:Terpentin 水蒸气蒸馏实验装置，保护高沸点物质提纯：松节油

∘ Kleintechnische Anlage 小型实验装置

Drehzellenfilter: 过滤机Gips, Kieselgur

Kontinuierliche Rektifikationskolonne (Filmkolonne, Metall-Strickpackungen):Ethanol-Wasser

3. Projekte 项目3.1. Trocknungsuntersuchungen von Keramikelementen nach einer in situ-Wäsche (Forschungsauftrag 2010 - 2012) 陶瓷元件干燥 Katalytische Abgasreinigung von Kraftwerksabgasen (Entstickung): 脱销催化剂

Wabenkatalysator-Stücke aus Keramik蜂窝催化剂 - 陶瓷件

SCR-ReaktorElement: 900 mm x 150 mm x 150 mm

Drei Lagen: 6.048 x 3 = 18.114 Elemente

6 NO2 + 8 NH3 → 7 N2 + 12 H2O

- Situation: Ein Kraftwerk plant diese Katalysatoren im Reaktor zu waschen.- 情况：一发电厂计划在反应器中加入催化剂进行清洗- Auftrag 任务 : · Wasseraufnahmevermögen der Elemente (50 t) 用水（ 50t ）

· Trocknungsverhalten 干燥- Lösung 解决方案 : Messung der Trocknungsverlaufskurven 测量干燥曲线

∘ Labor-Konvektionstrockner: 实验室对流烘干器 ∘ Mathematisches Modell für die

Trocknungszeit ,“Konstante Luft- zustände” : 干燥时间数学模型

tges Trocknungszeit, min 烘干时间，分钟K1 Kinetische Konstante, 1/min 动力常数

KY Y

t 1

Anf'

K'

K

∘ Kinetische Gleichung 动力学式

∘ Trocknungsverlaufskurven, l = 300 mm 干燥曲线

weitere Kurven für 其它曲线 :l = 150, 600 und 900 mm

∘ Maßstabsübertragung auf drei Lagen l = 3 · 900 = 2.700 mm: 放大至 - Ergebnis bei 40 und bei 20°C: · Trocknungszeit 干燥时间 : t = 9,1 und 11,5 h · Trocknungsluftstrom 干燥空气流： = 1,052 10⋅ 6 m³/h

3.2. Beitrag zur verfahrenstechnischen Modellierung von Freistrahlanlagen für die Gewässer- belüftung, 2012, Projekt LÜCKING, LESEGANG und SCHELTWORT (Jade-Hochschule): 水源 - 曝气工艺

∘ Freistrahlanlage mit den Hauptelementen Leitrohr, Propeller, Schwimmkörpern: 导管螺旋桨

Modell:Freistrahl als Zylinder, Kegelstumpf, 截头圆锥

∘ Impulsstrombilanz für das Segment I und für alle folgenden Bilanzgebietet: 区段衡算

I I F F F I 2 ,I G ,I A ,I

Im pulsstrom :

Im pulsstrom :

R eibungskraft, M ante l:

Schw erkraft (senkrecht):

Auftriebskraft (senkrecht):

2 I r w

I I r w

F 2 r w w

r r

F r g

F r g

2 w W ,2 22

I w W ,2 I2

I2

,I 22 I

I 2kW ,2

G ,I w W ,2 22

A,I kW ,2 22

mit:

∘ Quadratische Gleichung als Lösung: 二次方程式

w2 r

r r r w

2 r

r r r w

r

r w 1

r

r g cos 0

I2 2

I 2 I2

kW ,2

w W ,2I

2

I 2 I2

kW ,2

w W ,22

22

I2

2

22 kW ,2

w W ,2

22

I2

2

I

rw t

a t

2

w ta a t

2

ww a t

w a a t a

a

a a I

I,x I,xI,x+

I,x2

I,y I,y

I,y+

I,y++

I,y2 I

I,x I,x+

I,x

I,y I,y+

I,y++

I,yI

I,x+

I,y+

I,y++

İ Impulsstrom, NFτ Reibungskraft, NFG Schwerkraft, NFA Auftriebskraft, N

w Geschwindigkeit, m/sr Radius, ml Länge, m

Ortsvektor: 位置矢量

Unbekannte

∘ Beispiel 1, Mathcad-Datei: “Modellrechnung Freistrahlanlage 12 30grad-s.mcdx”: ⋅ Elektrische Leistung des Propellers: 2 kW ⋅ Neigungswinkel der Anlage von der

Senkrechten, β2: 30 ° ⋅ Leitrohrradius der Anlage r2 : 0,7 m ⋅ Temperatur des Gewässers, Oberfläche: 20 °C

10 m Tiefe: 15 °C ⋅ Flankenwinkel des Freistrahls, Kegel-

stumpfes, α: 15 °

· Ergebnis: Bahnkurve: nichtisotherm 非等温曲线

∘ Beispiel 2, Mathcad-Datei: “Modellrechnung Freistrahlanlage 13 30grad-s.mcdx”:

⋅ wie Beispiel 1 aber isotherm

∘ Beispiel 3, Mathcad-Datei: “Modellrechnung Freistrahlanlage 12 60grad-s.mcdx”:

⋅ wie Beispiel 1 (isotherm) aber 60°

Beispiel 1

Bahnkurve12-60: 60 ° zur SenkrechtenBahnkurve12-30: 30 ° zur Senkrechten

Bahnkurve 13: isotherm 等温线Bahnkurve 12: nichtisotherm 非等温线