Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines validierten und effizienten Rechenverfahrens zur Erweiterung des Betriebsbereiches von Kreiselpumpen für die Förderung von gasbeladenen Flüssigkeiten

Kreiselpumpen werden für die Förderung reiner Flüssigkeiten ausgelegt. Die Förderung bricht besonders bei Radialpumpen bereits bei sehr geringen Gasbeladungen der Flüssigkeit ein, was mit einer unnötig konservativen Anlagenauslegung und wirtschaftlichen und energetischen Nachteilen verbunden ist. Eine rechnerische Erfassung des Förderhöheneinbruchs ist bisher nicht möglich, und somit sind die Einsatzgrenzen der Kreiselpumpen bei der Förderung gasbeladener Flüssigkeiten nicht vorhersagbar.

Das in dem vorgeschlagenen Vorhaben entwickelte und validierte 3D-Rechenverfahren soll die durch KMU geprägte Pumpenindustrie in die Lage versetzen, zunächst die Einsatzgrenzen ihrer bestehenden Pumpen besser einzuschätzen und in einem zweiten Schritt Pumpen auszulegen, die eine gewisse Gasbeladung tolerieren. Von besonderer Bedeutung ist dabei ein geringer Rechenaufwand durch die Entwicklung von recheneffizienten momentenbasierten Mehrphasenmodellen und die Verwendung von lizenzkostenfreier Open-Source-Software. Beides ist eine Voraussetzung für die Nutzung des Rechenverfahrens auch in KMU. Das Rechenverfahren soll nach Projektende in den F&E-Prozess der KMU implementiert werden. Der Transfer wird durch die Einbindung in eine durchgängige Toolkette und Schulungen unterstützt.

Kreiselpumpen sind die am weitesten verbreitete Pumpenbauart. Die Entwicklung von Hocheffizienz-Kreiselpumpen leistet einen wichtigen Beitrag zur Einsparung von Antriebsenergie. Das Projekt schafft das notwendige Basiswissen, um Hocheffizienz- Kreiselpumpen für die Förderung von Flüssigkeiten mit moderater oder kurzzeitiger Gasbeladung auszulegen und wirtschaftlich sinnvoll zu betreiben. Ein Wettbewerbsvorteil entsteht, indem die Pumpenhersteller durch den Einsatz der Berechnungsmethode die Einsatzgrenzen ihrer Pumpen präziser als bisher bestimmen und ausweiten können. Dadurch kommt es zu einer Diversifizierung des Marktes für Kreiselpumpen und zu erheblichen Energieeinsparungen.

Ergebniszusammenfassung:

- Durch den kombiniert experimentell - numerischen Ansatz konnten im Projekt verschiedene Wirkzusammenhänge der Gemischförderung zwischen Gasbeladung der Flüssigkeit, Strömungszustand, Form der Gasakkumulation und Mechanismen des Förderhöheneinbruchs ermittelt werden. Diese im Abschlussbericht ausführlich dokumentierten Wirkzusammenhänge werden es den KMU ermöglichen, ein Pumpendesign zu gestalten, das die Beherrschung des Förderhöhenabfalls und die Erweiterung des Betriebsbereiches sicherstellt.

- Es wurde ein 3D-Rechenverfahren entwickelt und validiert, das über einen neuen hybriden Löseransatz im Sinne eines stufenlosen Umschaltens zwischen dispersen und Grenzflächen-auflösenden Verfahren erstmals die Gemischförderung realitätsnah berechnen kann. Das Rechenverfahren steht der Industrie zur Verfügung und basiert auf der open-source Software OpenFOAM, sodass das Verfahren ohne Lizenzkosten bei den KMU angewendet werden kann. Das Rechenverfahren liefert detaillierte Informationen über das Zweiphasen-Strömungsfeld, was den KMU erlaubt, ein gezieltes Verständnis der Gemischförderung aufzubauen. Mithilfe dieser detaillierten Strömungsinformationen kann das jeweilige, bestehende Produktportfolio in einem zweiten Schritt verbessert oder neue Produkte entwickelt werden. Die Einführung des Rechenverfahrens in den Produktentstehungsprozess ist unternehmensproprietär.

- Neben dem hochgenauem, aber Rechenzeit-intensiven 3D-Vollmodell steht der Industrie auch ein reduziertes 1-Kanalmodell zur Verfügung, das auf in KMU üblichen Multi-Core-Workstations ausgeführt werden kann und eine geringe Anwendungshürde für die Industrie darstellen dürfte. Mit dem 1-Kanalmodell ist eine schnelle Laufradnachrechnung, Berechnung von konstruktiven und betrieblichen Varianten und eine Optimierung im Sinne von Designbewertungen möglich.