Hygienegerechte Gestaltung von Bauteilen für die Lebensmittelherstellung

(Schwachstellenanalyse durch Tests und numerische Berechnungen )  

Gerhard Hauser *, Henk Krüs **

* Lehrstuhl für Maschinen- und Apparatekunde,
TU München-Weihenstephan, Freising, Deutschland
** Cyclone Fluid Dynamics B.V., Waalre, Die Niederlande

Inhalt

1. Einleitung
2. Grundlegende Einflüsse durch die Strömung
3. Erkenntnisse durch Hygiene-Tests
   3.1 Reinigbarkeits-Tests
   3.2 Strömungsbedingte Testergebnisse
4. Ergebnisse von numerischen Rechnungen
   4.1 Grundlagen der Berechnungen
   4.2 Beispiele für Berechnungsergebnisse
5. Zusammenfassung
6. Literatur

1 Einleitung

Obwohl Anlagen zur Herstellung und Verarbeitung von Lebensmitteln von jeher speziellen Anforderungen an Hygiene genügen mußten, stand in verschiedenen Bereichen der Lebensmittelindustrie lange Jahre die funktionelle verfahrenstechnische Gestaltung im Vordergrund. Hygienische Verhältnisse in Apparaten und Anlagen konnten nahezu in jedem Fall durch entsprechend abgestimmte (aggressive) Reinigungs- und Desinfektionsmittel sowie Anpassung der Reinigungsprozesse (Zeitdauer, Temperatur) erreicht werden.

Durch Einführung der europäischen Maschinenrichtlinie wurden erstmals 1995 Anforderungen an eine hygienegerechte Gestaltung von Apparaten und Anlagen - auch im deutschen Sprachgebrauch mittlerweile als "Hygienic Design" ein Begriff - zur gesetzlichen Verpflichtung. Durch die erforderliche Kennzeichnung mit dem CE-Zeichen muß der Hersteller heute garantieren, daß er neben dem Stand der Technik für Sicherheit auch die notwendigen Regeln für Hygienic Design bei allen Konstruktionsteilen angewendet hat, die mit dem Produkt in Berührung kommen. Damit sollen Komponenten und Anlagen so gestaltet werden, daß sie leicht zu reiningen sind und ein sicheren Reinigungserfolg garantieren. In diesem Zusammenhang stehen zwei Aspekte im Vordergrund: Zum einen dürfen von Anlagen der Lebensmittelindustrie keine Gefahren durch mangelhafte Hygiene ausgehen, indem sich z.B. Mikroorganismen an schlecht gestalteten Stellen vermehren und Produkte infizieren können. Zum anderen soll die Reinigung aus Gründen der Umweltbelastung mit minimalem Aufwand eine optimalen Erfolg garantieren.

Für den Konstrukteur ergibt sich das Problem, daß er sich durch diese Entwicklung mit Anforderungen an die hygienegerechte Gestaltung von Anlagen und deren Komponenten konfrontiert sieht, die bei seiner Ausbildung nicht berücksichtigt werden. Er ist daher auf Möglichkeiten angewiesen, sich auf diesem für ihn fremden Gebiet zu informieren und weiterzubilden. Neue europäische Normen wie z.B. der Entwurf PREN 1672, der grundlegende Anforderungen definiert und an einfachen Konstruktionsbeispielen aufzeigt, leisten dabei Hilfestellung. Zusätzlich spielt jedoch für ihn speziell das Verständnis grundlegender Einflüsse für die praktische Anwendung eine entscheidende Rolle.

Im folgenden Beitrag soll in erster Linie auf Aspekte der Gestaltung unter strömungstechnischen Gesichtpunkten eingegangen werden, wobei an einfachen Beispielen ein Vergleich von Ergebnissen durch Hygienetests und der Berechnung der maßgebenden Einflüsse mit Hilfe von numerischen Methoden aufgezeigt werden soll. Als Basis der Darlegungen werden zunächst einige wesentliche Zusammenhänge dargestellt.

2 Grundlegende Einflüsse durch die Strömung

Während des Herstellungsprozesses befinden sich Lebensmittel in dierektem Kontakt mit Oberflächen von Apparaten und Bauteilen. Daneben können in ihnen enthaltene Feststoffpartikel von Suspensionen oder Tropfen von Emulsionen aufgrund unterschiedlicher Transportmechanismen wie Sedimentation oder Turbulenz an solche Oberflächen gelangen. Dort bilden sie Beläge, die durch chemische oder physikalische Einwirkungen (z.B. Denaturierung, Hitze, Druck) noch zusätzlich Veränderungen erfahren können.

Abb. 1: Wandschubspannung an der Grenzfläche
Schmutzschicht/Reinigungsmedium

Für den Reinigungsvorgang sind eine Reihe unterschiedlicher Einflußfaktoren entscheidend, auf die nicht im einzelnen eingegangen werden soll. Um die Wirkung rein mechanischer Effekte bei der Reinigung an der Oberfläche kontinuierlicher Schmutzschichten modellhaft zu beschreiben und zu diskutieren, kann man davon ausgehen, daß deren Festigkeit von der auftretenden Spannung im Reingungsmedium an der Grenzfäche zum Schmutz überwunden werden muß. Maßgebliche Größe ist in diesem Fall die Scherfestigkeit der Schmutzschicht im Vergleich zur Schubspannung an der Grenzfläche, die der Wandschubspannung entspricht (Abb. 1). Aufgrund der Haftbedingung an der Grenzfläche ist dort die Strömungsgeschwindigkeit null.

Daß die getroffene Annahme begründet ist, zeigt ein Ergebnis nach [1] entsprechend Abb. 2, bei dem die Abnahme einer Schmutzschicht (Fett) in Abhängigkeit des mechanischen Effektes durch die Wandschubspannung dargestellt ist.

Abb. 2: Abnahme einer Fettschicht auf einerAbhängigkeit
der Wandschubspannung des Acryl-Oberfläche in Reinigungsmediums

Um den Einfluß der Strömungsverhältnisse auf die Wandschubspannung abschätzen zu können, wird im folgenden kurz auf das bekannte Beispiel der Rohrströmung eingegangen. Die Wandschubspannung läßt sich für z.B. die Strömung durch ein gerades Rohr durch die Gleichgewichtsbetrachtung

angeben. Dabei bezeichnet D den Rohrdurchmesser und Dp den auf die axiale Länge l_x bezogenen Druckverlust. Dieser ergibt sich aus

mit dem Rohrreibungsbeiwert, der Fluiddichte und der mittleren axialen Geschwindigkeit

wobei Q den Volumenstrom bezeichnet. Mit der Reynolds-Zahl

(und kinematische Viskosität) erhält man für einen Reynolds-Bereich Re ± 10⁵ mit dem Rohrreibungsbeiwert nach Blasius für turbulente Rohrströmung [2]

die Wandschubspannung

Bezüglich des Scale-up unter der Annahme einer konstanter Wandschubspannung erhält man im Gültigkeitsbereich der Blasius-Abhängigkeit

Das bedeutet, daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit entsprechend Gleichung (7) dem Rohrdurchmesser anzupassen ist, wenn (bei konstanter Wandschubspannung) bei der Reinigung der gleiche mechanische Effekt erreicht werden soll.

3 Erkenntnisse durch Hygiene-Tests

Zusätzlich zu den Effekten der Belagbildung an Oberflächen spielen für die hygienegerechte Gestaltung eine Reihe weiterer Faktoren eine entscheidende Rolle. So dringt z.B. an ungünstig gestalteten Stellen das Produkt in Vertiefungen, Spalten und Totzonen ein. Nach Beendigung der Bearbeitungszeit und Ausschieben des Produkts durch Wasser, können aufgrund von Haftmechanismen [3] oder durch ungenügenden Austausch Reste zurück bleiben die geeignete Nährböden für Mikroorganismen bilden. Wenn diese Reste einschließlich Mikroorganismen während der Reinigung nicht zuverlässig entfernt wird, stellt er eine Gefährdung der nachfolgend produzierten Lebensmittel und damit der Gesundheit der Verbraucher dar. Neben den Mikroorganismen selbst, können auch deren Stoffwechselprodukte durch toxische Substanzen (wie es z.B. von aflatoxinbildenden Schimmelpilzen bekannt ist) eine Gefahr für Produkte darstellen. Aus diesem Grund sind nicht nur die Anforderungen an produktberührte Oberflächen sondern z.B. auch an die konstruktive Gestaltung von Verbindungen, Übergängen und Dichtungsstellen von entscheidender Bedeutung, wobei vor allem Vor- und Rücksprünge, Vertiefungen sowie Spalten vermieden werden müssen. Einen weiteren wesentlichen Faktor stellen Bereiche wie z.B. Totwassergebiete, Strömungsschatten, Abrißkanten usw. dar, die strömungstechnisch ungünstig gestaltet sind. Generell können hygienische Schwachstellen in der konstruktiven Gestaltung von Apparaten, die eine einwandfreie Reinigung erschweren bzw. verhindern, durch z.B. mikrobiologische Untersuchungen erkannt und danach in Zusammenarbeit mit den Herstellern verbessert werden. Zusätzlich können numerische Berechnungen des Strömungsverhaltens, auch für kompliziert gestaltete Apparate und Komponenten, eine wesentliche Unterstützung für den Konstrukteur bedeuten.

3.1 Reinigbarkeits-Tests

Der Ablauf von Reinigbarkeitstests, die heute zunehmend eine Grundlage für Sicherheit in hygienischer Hinsicht darstellen, erfolgt im allgemeinen nach einem festgelegten, gleichartigen Schema: Zunächst wird eine gezielte Verunreinigung mit Testsubstanzen (definierter Schmutz mit bzw. ohne Mikroorganismen) unter praxisgerechten Bedingungen (Druck, Temperatur) durchgeführt. Nach milder Reinigung wird der Reinigungserfolg entweder mit Hilfe von Abstrichen an festgelegten Stellen oder durch andere sensible Methoden überprüft.

Als Beispiel solcher Reinigbarkeitstest soll die Methode der European Hygienic Equipment Design Group (kurz EHEDG-Cleanability-Test) [4] angeführt werden, die sich vor allem für die Untersuchung kleinerer bis mittlerer Bauteile eignet und sich europaweit als Bewertungsgrundlage durchgesetzt hat. Im Bereich biotechnologischer Anlagen wird sie derzeit in der Europäischen Normung verankert. Diese Methode bewertet die konstruktive Gestaltung von Bauteilen im Verhältnis zu einem geraden Rohr mit definierter Oberflächenrauhigkeit. Ihre Durchführung sowie die Ergebnisbewertung sollen im folgenden kurz wiedergegeben werden.

Der Test beginnt mit der Verschmutzung des Referenzrohrs und des Testobjekts mit einer Suspension aus Sauermilch und Sporen des Keimes Bacillus stearothermophilus var. calidolactis in einer definierten Konzentration. Es handelt sich hierbei um einen temperaturresistenten, schnell sporulierenden Keim, der auf einem speziellen Nährboden (violette Färbung) nach dem Auswachsen der Sporen durch Säurebildung eine gelbe Farbreaktion hervorruft.

Die verschmutzten Bauteile (Referenzrohr und Testobjekt) werden nach dem Entleeren der Suspension mit Sterilluft getrocknet und mit einem konfektionierten, milden alkalischen Reinigungsmittel bei definierten Verhältnissen gereinigt. Danach werden Referenzrohr und Testobjekt mit dem erwähnten violetten Agar beschichtet und bebrütet. Bei vorgeschriebener Reinigung sollen 5% bis 30 % der Innenfläche des Referenzstückes statistisch verteilte Stellen mit Gelbfärbung aufweisen, deren Anteil als Vergleich für das Testobjekt herangezogen wird. Anschließend wird der Agar als "Abdruck" des Testbauteils begutachtet, wobei folgende grundlegenden Fälle bei den Testergebnissen unterschieden werden :

• Erhebliche Mängel im hygienischen Design liegen vor, wenn noch Milchreste im Bauteil vorhanden sind.
• Bei Anwesenheit von Kolonien oder gelb umgefärbten, statistisch verteilten Bereichen im Testobjekt, die bei Widerholungsversuchen nicht stets an den gleichen Stellen auftreten, wird deren Anteil mit den umgefärbten Anteilen im Referenzrohr verglichen und damit eine Aussage über die Reinigbarkeit des Bauteils im Verhältnis zum Vergleichsrohr getroffen.
• Wird bei Wiederholungsversuchen jeweil an den gleichen Stellen Umfärbung des Agars festgestellt, liegen Mängel in der hygieniegerechten Gestaltung an diesen Stellen vor, die durch konstruktive Maßnahmen möglichst zu beseitigen sind.

Aus statistischen Gründen ist laut Vorschrift der Versuch insgesamt fünfmal zu wiederholen, wobei mindestens drei Ergebnisse gleichartige Befunde aufweisen müssen.

3.2 Strömungsbedingte Testergebnisse

Im folgenden soll zunächst an Hand von einfachen Beispielen aufgezeigt werden, welche Ergebnisse der EHEDG-Test liefert und zu welchen Aussagen dies führt. Wie Untersuchungen gezeigt haben, ist es dabei wichtig, die Scale-up Regel nach Gleichung (7) bei der Reinigung für das gerade Referenzrohr einzuhalten. Für die Testbedingungen des EHEDG-Tests ergibt sich damit in einem Rohr von D = 50 mm Nennweite mit einer vorgeschriebenen mittleren Rauhigkeit von Ra = 0,5 mm bei einer Reinigungsgeschwindigkeit mit Wasser von v = 1,5 m/s eine Reynoldszahl von Re = 7,5×10⁴, die im Blasius-Bereich Re ±10⁵ liegt. Die Wandschubspannung errechnet sich mit diesem Wert zu 5,4 Pa. Bei dieser Größenordnung der Wandschubspannung wird erfahrungsgemäß der angetrocknete Wandbelag aus Sauermilch bei Anwendung des festgelegten Reinigungsverfahrens gut abgereinigt, während einige in dessen Matrix eingelagerte Sporen statistisch verteilt an der Wand haften bleiben und nach Ausgießen des Rohrs mit Agar eine entsprechende Gelbfärbung durch Säurebildung verursachen. Werden die Versuche mit Bauteilen von größerer Nennweite durchgeführt, so muß z.B. für ein Referenzrohr von D = 80 mm Durchmesser die mittlere Reinigungsgeschwindigkeit entsprechend auf v = 1,6 m/s erhöht werden, um konstante Wandschubspannung und damit gleiche mechanische Wirkung an der Schmutzoberfläche zu gewährleisten.

Für den Einbau von unterschiedlichen Meßsonden in Rohrleitungssysteme werden häufig T-Stücke gemäß Abb. 3 bevorzugt. Da der Blindstutzen, in dessen Ende die Sonde meist mit einer lösbaren Verbindung eingebaut wird, erfahrungsgemäß eine schlecht reinigbare Stelle (Totraum) darstellt, ist nach EHEDG-Empfehlung [5] dessen Länge zu minimieren. Grenzen der Abmessungen werden durch die Forderung nach Orbital-Schweißen vorgegeben.

Abb. 3: Prinzipdarstellung von Rohrverzweigungen zum
Einbau von Meßsonden ohne Darstellung des Anschlusses

Bei allen durchgeführten EHEDG-Reinigbarkeits-Tests erweist sich das tote Ende der Abzweigungen als hygienische Schwachstelle, was durch eine reproduzierbar wiederkehrende Gelbfärbung des Agars an der Stirnfläche des Rohrabschlusses sowie an dessen zylindrischer Wand dokumentiert wird. Ursache ist die im Verhältnis zum geraden Vergleichsrohr geringere Wandschubspannung in diesem Bereich.

Abb. 4: Testergebnisse von drei Versuchen (T-Stück nach Abb. 3)
mit zunehmender Reinigungsgeschwindigkeit

Das Ergebnis von Reinigungstests zeigt, daß zusätzlich zu den kritischen Stellen an der Rohrwand der T-Stücke vor allem gemäß Abb. 4 auch der im Totwasserbereich liegende Deckel des Abzweigs eine hygienische Schwachstelle, vor allem im Randbereich, darstellt.

Als zweites Beispiel soll eine einfache Konstruktion eines Ventilgehäuses nach Abb. 5 diskutiert werden. In diesem Fall ergeben sich mit dem EHEDG-Test wiederkehrende Befunde in dem Bereich des Gehäusedeckels um die Ventilspindel herum sowie im oberen Teil der Wände des kugelförmigen Gehäuses. Die Befunde sind reproduzierbar stets an denselben Stellen und nicht statistisch verteilt. Sie stellen damit definierte Schwachstellen der Konstruktion dar.

Abb. 5: Prinzipdarstellung eines Ventilgehäuses in Kugel-form (Schrägsitzventil)

4 Ergebnisse von numerischen Berechnungen

Neben der Möglichkeit, Reinigbarkeitstests anzuwenden, können dem Konstrukteur in vielen Fällen bei der Auslegung von Bauelementen unter strömungstechnischen Gesichtspunkten Berechnungsunterlagen ganz wesentlich helfen. Diese können bereits anhand eines Entwurfs erstellt werden.

Mit Hilfe moderner Computer-Programme lassen sich Geschwindigkeitsverteilungen und Wandschubspannungen ermitteln. Der Vorteil ist, daß man die Auswirkung von Änderungen in der Gestaltung bis ins Detail vergleichend gegenüberstellen kann, ohne jeweils einen Prototyp der Konstruktion zu benötigen. Die Kosten solcher Untersuchungen sind, ebenso wie Tests, in der Entwicklungsphase bei komplizierten Konstruktionen nicht unerheblich; dieses Vorgehen hat jedoch den Vorteil, daß man eine komplette Übersicht über Strömungsverlauf, Wirbelbildung usw. erhält und die Konstruktion bereits in einer früen Entwurfsphase optimalisiert werden kann.

Im folgenden werden einige Beispiele aufgezeigt und mit den geschilderten Testergebnissen verglichen.

4.1 Grundlagen der Berechnungen

Jede Strömung läßt sich theoretisch durch die klassischen Navier-Stokes Gleichungen berechnen, die die Erhaltung von Masse und Impuls beschreiben. Da diese Gleichungen für turbulente Strömungen in der Regel nicht exakt lösbar sind, ist dies eine Aufgabe der numerischen Strömungsmechanik. In der Praxis sind für die Lösung einige Vereinfachungen notwendig, von denen die wichtigste die Modellierung der Turbulenz betrifft.

Trotz der Entwicklungen im Bereich der direkten numerischen Simulation turbulenter Strömungen, die von exakten, zeitunabhängigen Navier-Stokes Gleichungen ausgehen, bleibt die übliche, praktisch angewandte Methode eine Lösung aufgrund von zeitlich gemittelten Gleichungen. Durch den Mittelungsprozeß entstehen neue, unbekannte Variablen (Reynolds´sche Spannungen), deren Anzahl größer als die der vorhandenen Gleichungen ist. Das System ist damit nicht mehr bestimmt, so daß zusätzliche Annahmen benötigt werden, um es lösen zu können. Die unterschiedlichen Turbulenzmodelle sind das Ergebnis dieser Annahmen. In der vorliegenden Studie wird das k-e-Turbulenzmodell verwendet, das heute auch z.B. in der Industrie am häufigsten angewandt wird. Vor- und Nachteile dieses Turbulenzmodells sollen hier nicht näher diskutiert werden.

Ein Turbulenzmodell ist nicht komplett ohne Angabe, welche Annahmen in unmittelbarer Nähe der Wand getroffen werden, da dort andere Verhältnisse als in der Hauptströmung vorliegen. Die Lösung ergibt sich dadurch, daß die lokale Grenzschicht durch das universelle logarithmische Wandgesetz beschrieben werden kann. Der Vorteil ist, daß die gesamte Grenzschicht in nur einer Zelle des Rechengitters erfaßt wird, anstelle erheblich mehr Zellen (z.B. 10 bis 20) zu verwenden. Daraus ergibt sich jedoch zugleich der größte Nachteil dieses Konzepts, da das Geschwindigkeits- und Turbulenzprofil auch dann angenommen wird, wenn es nicht mehr zutrifft.

Das Profil wird festgelegt durch

u⁺ beschreibt die mit der Schubspannungsgeschwindigkeit

dimensionslos gemachte Geschwindigkeit parallel zur Rohrwand. Der dimensionslose Wandabstand ergibt sich aus

Weiterhin bedeuten y_m die Stelle des Übergangs von der laminaren Unterschicht zur logarithmischen Zone (y_m ~ 11), k die von Karman Konstante (k ~ 0,4), E ist ein empirischer Wandrauhigkeitsparameter (E ~ 9 für glatte Wände).

Bei einer Simulation sollte das Zentrum der Wandzelle vorzugsweise im "logarithmischen" Gebiet liegen (ungefähr 20 < y⁺ < 100 bis 500). Die Wandschubspannung läßt sich in einer turbulenten Grenzschicht durch die Annahme eines lokalen Gleichgewichts zwischen Produktion und Dissipation von turbulenter kinetischer Energie k in der Standardgrenzschicht abschätzen. Das bedeutet für die vorliegende Studie, in der die Wandschubspannung eine zentrale Rolle spielt, daß die Qualität der iterativen Lösung von der Vorhersage der turbulenten kinetischen Energie k in der Grenzschicht sowie von der empirischen Konstanten Cm abhängt. Die erwähnte Behandlung von Wänden ist in der numerischen Strömungsmechanik weit verbreitet und unabhängig vom Programm oder Verfahren [6] .

Eine andere wichtige Randbedingung ist das Geschwindigkeitsprofil am Einlauf des Testbauteils. In der vorliegenden Studie wurde die voll ausgebildete turbulente Rohrströmung mit Re ~ 7500 und n ~ 10 nach Abb. 6 benutzt.

Abb. 6: Voll turbulente Rohrströmung

Ue bezeichnet die maximale Geschwindigkeit in der Rohrmitte. Die mittleren Geschwindigkeit Um ergibt sich damit aus

Mit dem Ansatz eines linearen Verlaufs der Schubspannung und der Mischlängen-Hypothese von Prandtl kann das Reynolds-unabhängige charakteristische Längenmaß l der Turbulenz mit

gefunden werden [6]. Schließlich benötigt man entweder einen zusätzlichen Ausdruck für die turbulente kinetische Energie k oder die Intensität i der Turbulenz. Mit Hilfe der "eddy Viskosität" und dem k-e-Turbulenzmodell folgt:

wobei l aus (13) bekannt ist und du/dy direkt aus (11) folgt. Die Beziehung für die turbulente Intensität i = u´/u folgt aus dem Ansatz der isotropen Turbulenz:

Die oben erwähnten Randbedingungen nach den Gleichungen (11), (13) und (15) wurden auf ein gerades Rohr mit 50 mm Durchmesser als Referenzrohr angewandt. Bei einer voll ausgebildeten Strömung sollten das Geschwindigkeitsprofil und die Profile der turbulenten kinetischen Energie und Dissipation annäherend konstant bleiben, was im vorliegenden Fall zutrifft. Die durchschnittliche Wandschubspannung betrug am Ende des Rohres 4,9 Pa. Außerdem wurde dafür gesorgt, daß für alle anderen Bauteile dieselbe Qualität und Dichte des Rechengitters verwendet werden konnte. Damit wird gewährleistet, daß die Ergebnisse vergleichbar sind.  

Da eine analytische Lösung nicht möglich ist, sind numerische Verfahren unumgänglich. In der vorliegenden Studie wurde ein general purpose Programm verwendet, das auf der Finite Volumen Methode (FVM) basiert. Die hier angeführten Ergebnisse sollten deshalb auch mit anderen kommerziellen general purpose FVM Programmen erziehlt werden können.

Abschließend muß noch eine kurze Bemerkung bezüglich des verwendeten Differenzenverfahrens für die konvektiven Terme in allen Transportgleichungen gemacht werden. Bekannt ist zum Beispiel, daß das übliche upwind Differenzenschema einen erheblichen Einfluß auf die Lösungen haben kann. In dieser Studie wurden erfolgreich zentrale Differenzen benutzt, wofür die Arbeit von Ferziger und Peric [7] eine ausführliche Begründung liefert.

4.2 Beispiele für Berechnungsergebnisse

Als erstes werdn zum Vergleich der durchgeführten Tests die Ergebnisse der numerischen Berechnungen für die beiden T-Stücke nach Abb. 3 dargestellt. Die berechneten Strömungsgeschwindigkeiten nach Abb. 7, die durch unterschiedliche Farben dargestellt sind, geben bereits deutlich Aufschluß darüber, an welchen Stellen hygienische Probleme zu erwarten sind. Bei einem Rohrdurchmesser von D = 50 mm wurde als mittlere Geschwindigkeit von u = 1,5 m/s angesetzt, was den Verhältnissen beim durchgeführten Reinigbarkeitstest entspricht. Die Totwasserbereiche in der Abzweigung sowie die Zonen erheblich geringerer Geschwindigkeiten in den durchströmten Rohrteilen lassen auf ein schlechtes Reinigungsergebnis an diesen Stellen schließen.

Abb. 7: Berechnete Geschwindigkeitsverläufe in den T-Stücken

Entsprechend deutliche Ergebnisse zeigen die Wandschubspannungen, die in Abb. 8 dargestellt sind. Geht man von einem Wert von 5,4 Pa aus, der sich für die Nennweite von D = 50 mm bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von u = 1,5 m/s ergibt, so zeigen vor allem die blau dargestellten Flächen Zonen geringer Schubspannungswirkung.

Abb. 8: Berechnungsergebnisse für die Wandschubspannungen
der beiden T-Stücke

Man erkennt, daß neben den Problemgebieten im durchströmten Bereich vor allem die Ränder des Deckels im toten Ende der beiden Objekte Schwachstellen aus strömungstechnischer und damit hygienischer Sicht darstellen.

Besonders anschaulich werden die Strömungsverhältnisse im Gehäuse des Schrägsitzventils aus Abb. 9 deutlich. Gebiete geringerer Strömungsgeschwindigkeiten liegen an der Unterseite der Rohrbogen im An- und Abströmbereich sowie am Deckel des kugelförmigen Gehäuses. Die Schnittdarstellung (Abb. 9 b) läßt vor allem erkennen, daß am Gehäuserand ein torusartiger Wirbel mit Gebieten geringer Strömungsgeschwindigkeit vorliegt.

Abb. 9: Verlauf der Strömungsgeschwindigkeitenim
Gehäuse des Schrägsitzventils
 

Abb. 10: Darstellung der numerisch berechneten Schubspannungen
am Beispiel des Schrägsitzventils

Besonders anschaulich sind die Problemstellen aus reinigungstechnischer Sicht auch in Abb. 10 zu erkennen, wo die blau gefärbten Bereiche Zonen geringer Schubspannungen aufzeigen. Zum Schluß gibt Abb. 11 einen Eindruck der Strömung durch das Schrägsitzventil und die Wirbelstruktur.

Abb. 11: Darstellung der Strömung durch das Schrägsitzventil.

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Last updated: 25 januari 1999
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