Numerische Simulation des Strömungsfelds im Entwässerungskanal einer Spiralauspressung mit einreihig gebrochenen Zähnen

Gülle in eine handhabbare Ressource verwandeln

Auf großen Betrieben stellen Berge nasser Tiergülle eine tägliche Herausforderung dar: sie stinken, sind schwer zu transportieren und können bei unsachgemäßer Handhabung Gewässer belasten. Eine vielversprechende Lösung sind schraubenbasierte Maschinen, die Wasser auspressen und einen trockeneren, leichter handhabbaren Feststoff zurücklassen. Diese Studie verwendet fortgeschrittene Computersimulationen, um ein solches Gerät im Detail zu untersuchen und eine praktische Frage mit großen Konsequenzen für den Betrieb zu stellen: Welche Schraubenform und Zahnabstände liefern die beste und stabilste Entwässerungsleistung?

Wie eine Press-Schnecke Schlamm säubert

Das untersuchte Gerät ist ein Schnecken-Extrusionsseparator. Dickflüssige Gülle wird in ein zylindrisches Gehäuse eingeführt, in dem eine rotierende Metallschnecke sitzt. Während sich die Schnecke dreht, schieben ihre Schaufeln das Gemisch vorwärts und pressen es gegen ein perforiertes Sieb. Wasser tritt durch das Sieb aus und wird aufgefangen, während die eingedickten Feststoffe zur Austragsöffnung gedrückt werden. Durch die Anpassung von Konstruktionsdetails – wie stark das Material gepresst wird, wie schnell es sich bewegt und wie oft die Schaufeln durch Lücken unterbrochen sind – können Ingenieure einstellen, wie trocken die austretenden Feststoffe werden und wie gleichmäßig die Maschine läuft.

Warum gebrochene Zähne und konische Wellen wichtig sind

Statt einer einfachen, durchgehenden Spirale konzentrieren sich die Forscher auf ein "gebrochener Zahn"-Design, bei dem kurze Schneckenabschnitte durch kleine Lücken getrennt sind. Diese Unterbrechungen verändern, wie die Gülle verklumpt, bremst und beschleunigt wird, was wiederum beeinflusst, wie das Wasser ausgepresst wird. Sie vergleichen zwei Hauptwellenformen: einen geraden Zylinder und einen sanft verjüngenden Kegel, jeweils mit demselben Muster unterbrochener Schaufeln. Für jede Variante testen sie mehrere Spaltweiten zwischen den Schneckenabschnitten. Durch die Verfolgung von Partikelbewegung, Packungsdichte und Druckaufbau entlang des Kanals zeigen sie, wie subtile geometrische Entscheidungen in reale Effizienzunterschiede bei der Trennung übersetzt werden.

Mit virtuellen Experimenten ins Innere blicken

Ein Blick in einen laufenden Güllepresse ist praktisch unmöglich, daher greifen die Forschenden auf numerische Simulationen zurück. Sie behandeln die Gülle als Gemisch aus Wasser und feinen Feststoffpartikeln und verwenden ein eulerisches Mehrphasenströmungsmodell, ein Standardwerkzeug der numerischen Strömungsmechanik. Mit einem detaillierten 3D-Modell der Maschine simulieren sie den Strömungsablauf durch verschiedene Schneckendesigns und beobachten, wie sich der lokale Feststoffanteil, die Partikelgeschwindigkeit und der Druck entlang ausgewählter Linien und Querschnitte ändern. Um die Realitätsnähe des virtuellen Modells zu prüfen, vergleichen sie die Vorhersagen mit Messungen an einer realen Schneckenpresse. Die simulierte Trockenheit am Auslass weicht um weniger als 10 % von den Experimenten ab, was für ein so komplexes Gemisch als gute Übereinstimmung gilt.

Den Sweet Spot im Design finden

Die Simulationen zeigen, dass Wellenform und Zahnabstand zusammen steuern, wie gleichmäßig sich das Material bewegt und wie trocken es wird. In geraden zylindrischen Wellen steigt die Feststoffkonzentration in der Druckzone ruckartig und wellenförmig an, mit deutlicher Ansammlung und Verstopfungsrisiko in Siebnähe. Ein Spalt von 40 Millimetern zwischen den unterbrochenen Abschnitten bietet das beste Verhältnis: Am Auslass erreichen die Feststoffe etwa 48 Vol.-% und der Fluss ist stabiler als bei kürzeren oder längeren Spalten. Bei konischer Welle, die sich zum Auslass hin allmählich verjüngt, verbessert sich das Bild. Der Feststoffanteil nimmt gleichmäßiger zu, der Druck bleibt höher und konstanter, und Partikel neigen weniger zum Aufstauen. Auch hier sticht ein 40 Millimeter großer Spalt hervor und liefert etwa 55 % Feststoffe am Auslass bei relativ gleichmäßigem Austrag, während zu kleine Spalte dem Material nicht genügend Verweilzeit unter Druck geben, um vollständig zu entwässern.

Praktische Schlussfolgerungen für sauberere Höfe

Für Landwirte und Gerätehersteller ist die Botschaft klar und praxisnah: Der Einsatz einer sanft verjüngten Schnecke mit unterbrochenen Schaufeln und einem Unterbrechungsabstand von rund 40 Millimetern kann die Trockenheit und Stabilität der Güllentrennung gegenüber einer geraden Welle deutlich erhöhen. Trockeneres Feststoffmaterial ist einfacher zu lagern, zu transportieren und als Dünger zu verwenden, während ein gleichmäßigerer Innenfluss Verstopfungen und Verschleiß verringert. Indem die Studie zeigt, wie kleine geometrische Änderungen die verborgene Strömung im Inneren der Maschine beeinflussen, bietet sie einen Fahrplan für die Konstruktion effizienterer, zuverlässigerer Separatoren, die helfen, ein unordentliches Abfallproblem in eine handhabbare Ressource zu verwandeln.

Zitation: Na, R., Wang, N., Ma, S. et al. Numerical simulation of flow field in single-head broken-tooth spiral extrusion dewatering channel. Sci Rep 16, 5011 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36029-9

Schlüsselwörter: Gülleentwässerung, Schneckenvorpressseparator, Mehrphasenströmungssimulation, zylindrische vs konische Schnecke, landwirtschaftliches Abfallmanagement