Analyse der Wärmeabgaben von 18 übereinander angeordneten Dieselkompressoren auf dem Deck eines Offshore-Schiffes in der Ostsee, um die Zuverlässigkeit der Anlagen und den Komfort der Techniker zu gewährleisten.
EOLIOS ist Experte für die Optimierung komplexer Luftströme und den Windkomfort. Im Rahmen eines bedeutenden Industrieprojekts wurden wir beauftragt, das thermo-aeraulische Verhalten eines massiven Kompressionssystems zu analysieren, das auf dem Deck eines in der Ostsee operierenden Offshore-Schiffes installiert ist. Die Herausforderung war beträchtlich: die Wärmeaustausche von 18 übereinander angeordneten Dieselkompressoren zu simulieren, um die Zuverlässigkeit der technischen Anlagen und die Sicherheit der Operationen zu gewährleisten.
Das Wesentliche. Auf dem Deck eines Offshore-Schiffes in der Ostsee geben 18 Dieselkompressoren mit je 224 kW Luft mit fast 65 °C ab. Trotz eines Gegenwindes von 6 m/s sperrt die Schiffsarchitektur die Wärme ein: Die CFD-Simulationen enthüllen Warmluft-Rezirkulationen, Wärmeblasen von bis zu 47 °C in den Eingriffszonen und Leckagen von 30 % an den Abführsystemen. Die von EOLIOS validierte Lösung reduziert diese Leckagen auf 3 % und sichert zugleich die Maschinen und die Techniker.
EOLIOS ist führend in der CFD-Simulation für Ihre Prozesse. Unsere Studien stützen sich auf einen Erfahrungsrückfluss aus Messkampagnen unter realen Bedingungen und rund hundert weltweit simulierten Standorten.
In einer maritimen Umgebung, die starken Wärmeemissionen ausgesetzt ist, zeigen die Standard-Belüftungslösungen ihre Grenzen. Dank einer Analyse, die 3D-Modellierung und CFD-Simulation verbindet, hat EOLIOS das reale Verhalten der Luftströme um 18 Dieselkompressoren untersucht und konkrete Lösungen vorgeschlagen, um die Abfuhr der Abgase zu optimieren, den thermischen Komfort zu verbessern und die Zuverlässigkeit der Anlagen in den Produktionszonen zu gewährleisten.
Der Auftrag gliederte sich in vier Ziele:
Modellieren des Schiffes, seiner aeraulischen Masken und der 18 Kompressoren unter ihren realen Wetterbedingungen.
Quantifizieren der Ansaugtemperaturen der Maschinen und der Umgebungstemperaturen in den Eingriffszonen.
Identifizieren der Rezirkulations- und Stagnationsmechanismen, die für die Überhitzungen verantwortlich sind.
Validieren einer Abführlösung, die die Betriebskontinuität und die Sicherheit der Techniker gewährleistet.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, haben unsere Ingenieure einen vollständigen digitalen Zwilling des Schiffes und seiner technischen Anlagen entwickelt. Die getreue Nachbildung der komplexen Geometrie der Strukturen und der Anordnung der Anlagen auf dem Deck ist entscheidend, um die Nachlauf- und Rezirkulationsphänomene zu erfassen.
Der „digitale Zwilling“ ist die virtuelle 3D-Replik einer realen Anlage: Geometrie, Wärmequellen, Luftein- und -austritte, Wetterbedingungen. Er dient als Grundlage für die CFD-Simulation, um das Verhalten der Anlage in Szenarien zu testen, die vor Ort unmöglich nachzustellen sind: extreme Winde, Volllast, Konstruktionsvarianten.
Die Modellierung hat intensive Wetterbedingungen integriert, die der Ostsee eigen sind, mit einem anhaltenden Gegenwind von 6 m/s gekoppelt mit einer hohen Außentemperatur. Die größte Schwierigkeit dieser Studie lag in der präzisen Modellierung dieser instabilen Randbedingungen, bei denen der einfallende Luftstrom auf eine Schiffsarchitektur trifft, die mehrere Stagnationszonen und aerodynamische Ablösungen erzeugt. Diese Zonen begrenzen die Lufterneuerung um die technischen Anlagen. In Ermangelung einer erzwungenen und gerichteten Belüftung werden diese Zonen zu thermischen Fallen, in denen die abgegebenen Kalorien stagnieren und die Umgebungstemperatur lokal unabhängig von der Stärke des Außenwindes erhöhen.
Die Anhäufung von 18 Kompressoren auf engem Raum stellt eine kolossale thermische Last dar. Tatsächlich entwickelt jede Einheit eine Gesamtleistung von 224 kW und erzeugt einen massiven Wärmestrom, der kontinuierlich abgeführt werden muss, um die Integrität des Systems zu bewahren. Im Betrieb wird die Luft mit einer Austrittstemperatur von etwa 65 °C ausgestoßen und schafft einen echten Wärmeherd im Herzen des Schiffes. Ohne ein rigoroses Strommanagement ist das Überhitzungsrisiko unmittelbar: Die Simulationen zeigten, dass die Ansaugtemperaturen schnell den kritischen Schwellenwert der Systeme erreichen konnten, was die Integrität der Maschinen und die Betriebskontinuität bedrohte.
Von „Rezirkulation“ spricht man, wenn ein Teil der von einer Maschine abgegebenen Warmluft wieder angesaugt wird, von ihr selbst oder von einer benachbarten Einheit, anstatt abgeführt zu werden. Die Ansaugtemperatur steigt dann über die Außentemperatur, was den Wirkungsgrad verschlechtert und zur Sicherheitsabschaltung der Anlage führen kann.
Unsere Ingenieure haben zwei unterschiedliche physikalische Phänomene identifiziert, die die Leistung verschlechtern:
Direkte Rezirkulationen (kurze Schleifen): Die am Austritt bestimmter Kompressoren abgegebene Warmluft wurde sofort von den Lufteintritten der benachbarten Einheiten wieder angesaugt.
Indirekte Rezirkulationen (Umgebungserwärmung): Die um die Struktur stagnierende Wärme schuf eine globale Erhöhung der Temperatur der umgebenden Luft und „verschmutzte“ so die Frischluft, noch bevor sie von den Systemen angesaugt wurde.
Diese Rezirkulationsphänomene gehen direkt auf eine strukturelle Einengung zurück, bei der die kompakte Anordnung der Kompressoren, gekoppelt mit dem Vorhandensein massiver architektonischer Hindernisse, die Luft auf dem Deck einsperrt. Diese Konfiguration behindert die Zirkulation der Ströme und verhindert, dass die natürliche Konvektion ihre Rolle als thermischer Regulator spielt, und schafft Stagnationszonen, in denen sich die Kalorien ansammeln, ohne abgeführt werden zu können. In Ermangelung einer wirksamen Frischluftspülung wirkt die Architektur des Schiffes schließlich wie eine Falle, die die Wiederansaugung der Warmluft erzwingt und so die Gesamtleistung der Anlage verschlechtert.
Der Komfort der Techniker und des Wartungspersonals stellte ebenfalls einen entscheidenden Punkt für den Kunden dar, über die reinen Fragen der thermischen Leistung der Anlagen hinaus. Die menschlichen Eingriffe auf dem Deck erfordern tatsächlich Umgebungsbedingungen, die verträglich sind mit manchmal langwierigen Wartungsoperationen, die in unmittelbarer Nähe der Wärmequellen durchgeführt werden.
Die Physik der Ströme zeigt, dass in Ermangelung einer optimierten Lösung stagnierende Kalorien „Wärmeblasen“ schaffen, die bis zu 47 °C erreichen können, was die Eingriffe auf dem Deck extrem mühsam, ja sogar gefährlich macht. Diese thermischen Ansammlungen treten hauptsächlich in den Zonen schwacher Luftumwälzung auf, wo die Warmfahnen aus den Anlagen dazu neigen, sich zu konzentrieren, ohne korrekt abgeführt zu werden.
Eine Frage des Arbeitsschutzes. Bei 47 °C kann der Körper seine eigene Wärme nicht mehr abgeben: Das Schwitzen wird unwirksam, die Herzfrequenz steigt und das Risiko eines Hitzschlags tritt innerhalb weniger Dutzend Minuten auf. Ein längerer Wartungseingriff in einer solchen Wärmeblase ist nicht nur unangenehm, sondern gefährlich.
Die Studie konzentrierte sich auf das Management der Abgasströme, um die Warmluft fern von den sensiblen Zonen zu kanalisieren. Unsere ersten Analysen haben eine bedeutende technische Herausforderung aufgezeigt: Warmluftleckagen von 30 % an den Verbindungen der Abführsysteme, was einen Teil der Vorteile zunichtemachte und eine lokale Überhitzung aufrechterhielt.
Die technische Expertise befasste sich mit der Entwicklung einer perfekt dichten Verbindung zwischen den Kompressoren und den Abführkanälen. Diese Konfiguration ist unerlässlich, um die mit 65 °C ausgestoßene Luft zu kanalisieren und den Restdruck der Maschinen in eine Ausstoßgeschwindigkeit umzuwandeln, die in der Lage ist, die strukturellen Nachlaufzonen zu durchdringen. Der Übergang zu einem dichten System erfordert jedoch, die durch die komplexe Geometrie und die Krümmungen der Kanäle erzeugten Druckverluste zu beherrschen, die wie Widerstände gegen den Strom wirken. Die Herausforderung ist dann kritisch: Wenn diese Druckverluste den am Austritt verfügbaren statischen Druck übersteigen, bricht der Luftvolumenstrom zusammen und verursacht eine innere Überhitzung der Anlagen.
Dank der CFD-Simulation hat EOLIOS eine Konzeption validiert, die die Leckagen von 30 % auf nur 3 % reduziert, und so gewährleistet, dass die gesamte pneumatische Energie zur Abführung geleitet wird, um die Widerstände des Netzes auszugleichen. Dieser Leistungsgewinn stellt sicher, dass die Frischluft um die Anlagen vorherrschend bleibt, und verwandelt eine Hochrisikokonfiguration in eine sichere und thermisch beherrschte Arbeitsumgebung.
Der „Druckverlust“ bezeichnet den Druckverlust, den ein Fluid beim Durchqueren eines Netzes erfährt: Reibung entlang der Wände, Krümmungen, Verengungen, Verbindungen. Je verwinkelter das Netz, desto höher der Widerstand; übersteigt er den verfügbaren Druck, sinkt der Volumenstrom und die Wärmeabfuhr ist nicht mehr gewährleistet.
Diese Studie veranschaulicht die Bedeutung des Beitrags der numerischen Modellierung in der Phase der Konzeption oder Sanierung. Indem wir die thermischen Risiken lange vor der realen Installation enthüllt haben, haben wir dem Kunden ermöglicht, seine Konzeption anzupassen, um eine maximale Effizienz unter den härtesten Bedingungen zu gewährleisten.
Sie arbeiten an einem Projekt, bei dem das Management der Wärmeströme und der Komfort der Bediener entscheidend sind? Greifen Sie auf unsere CFD-Expertise zurück, um Ihre Entscheidungen abzusichern und Ihre Eingriffe ab der Studienphase zu optimieren.
Know-how: die CFD-Studie der StromaggregateWarmluft-Rezirkulation, Kühlung auf See und Beitrag der CFD-Simulation.
Die kompakte Anordnung der Einheiten und die architektonischen Hindernisse des Schiffes erzeugen Nachlaufzonen, in denen die Luft stagniert. Die mit fast 65 °C abgegebene Luft wird dann entweder sofort von den benachbarten Lufteintritten wieder angesaugt (kurze Schleife) oder erwärmt die allgemeine Umgebungsluft vor der Ansaugung (indirekte Rezirkulation), was die Leistung des gesamten Systems verschlechtert.
Nein. Selbst bei einem anhaltenden Gegenwind von 6 m/s erzeugt die Schiffsarchitektur Stagnationszonen und aerodynamische Ablösungen, die die Lufterneuerung um die Anlagen begrenzen. Ohne gerichtete Belüftung werden diese Zonen zu thermischen Fallen, in denen sich die Kalorien ansammeln, unabhängig von der Stärke des Außenwindes.
Eine klassische Berechnung denkt in globalen Bilanzen und sieht die lokalen Phänomene nicht: Rezirkulationen, Nachläufe, Wärmeblasen. Die CFD löst das Geschwindigkeits- und Temperaturfeld an jedem Punkt des Bereichs und enthüllt diese unsichtbaren Mechanismen, was es ermöglicht, Konstruktionsvarianten vor jeder realen Installation zu testen.
Durch die Entwicklung einer perfekt dichten Verbindung zwischen den Kompressoren und den Abführkanälen, die durch Simulation validiert wurde. Der Restdruck der Maschinen wird in eine Ausstoßgeschwindigkeit umgewandelt, die in der Lage ist, die Nachlaufzonen zu durchdringen, während die Druckverluste des Netzes beherrscht werden, damit der Volumenstrom nicht zusammenbricht.
Ja. Dieselbe Methodik (digitaler Zwilling, reale Wetterbedingungen, Rezirkulationsanalyse) lässt sich auf Stromaggregate, Maschinenräume, Offshore-Plattformen und jeden Prozess anwenden, der Wärme in einem geschlossenen oder halboffenen Raum abgibt.
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Diese thermo-aeraulische Studie betrifft die Analyse der Luftströme und der Wärmeabgaben von 18 Dieselkompressoren, die auf dem Deck eines Offshore-Schiffes in der Ostsee installiert sind. Dank einer 3D-Modellierung hoher Wiedergabetreue und fortschrittlicher CFD-Simulationen haben die Ingenieure kritische Phänomene der Warmluft-Rezirkulation und der thermischen Stagnation identifiziert, die zu gefährlichen Temperaturen für die Anlagen und die Techniker führen können. Die Studie ermöglichte, eine optimierte Lösung zur Einhausung und Abführung der Ströme zu konzipieren, die die Warmluftleckagen stark reduziert und zugleich die Zuverlässigkeit der Anlagen, den thermischen Komfort der Bediener und die globale Sicherheit des Systems unter strengen klimatischen Bedingungen verbessert.
Über den maritimen Fall hinaus lässt sich der Ansatz auf jede Anlage übertragen, die Wärme auf engem Raum abgibt: Stromaggregate, Maschinenräume, technische Dächer, Industrieplattformen. Um weiterzulesen:
CFD-Expertise, realisierte Projekte und technische Dossiers: der gesamte Bereich Industrieprozess an einem Ort.
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