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

Projektlaufzeit: 01.04.2019 – 30.06.2022
Fördergeber: BMWK

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 im abgeschlossenen Vorhaben entwickelte und validierte 3D-Rechenverfahren ermöglicht der durch KMU geprägte Pumpenindustrie, zunächst die Einsatzgrenzen ihrer bestehenden Pumpen besser einzuschätzen und in einem zweiten Schritt Pumpen auszulegen, die eine gewisse Gasbeladung tolerieren.
 
Die Entwicklung des Rechenverfahrens erfolgte vor dem Hintergrund moderatem Rechenaufwandes. Zusätzlich wurde die lizenzkostenfreie Open-Source-Software OpenFOAM verwendet. Beides sind Voraussetzungen für die Nutzung des Rechenverfahrens auch in KMU. Zur Berechnung sowohl dispers verteilter Blasenpopulationen als auch zusammenhängender, den Förderhöhenabfall bewirkender Gasakkumulationen wurde im Projekt ein hybrider Mehrphasenlöser entwickelt, der basierend auf dem Euler-Euler 2-Fluid Modell zur Simulation von dispersen Blasenströmungen stufenlos ein Grenzflächen-auflösendes Verfahren zur Simulation von scharfen Phasengrenzflächen hinzuschaltet. Dieses 3D-Rechenverfahren zur realitätsnahen Simulation der Gemischförderung steht für die Industrie zur Verfügung. Neben der Bereitstellung des Rechenverfahrens ermöglicht die Kenntnis der in diesem Projekt über einen experimentell-numerischen Ansatz ermittelten Wirkzusammenhänge zwischen Gasbeladung der Flüssigkeit, Strömungszustand, Form der Gasakkumulation und Mechanismen des Förderhöheneinbruchs, ein Pumpendesign zu gestalten, das die Beherrschung des Förderhöhenabfalls und die Erweiterung des Betriebsbereiches sicherstellt.
 
Kreiselpumpen sind die am weitesten verbreitete Pumpenbauart. Die Entwicklung von Hocheffizienz-Kreiselpumpen leistet einen wichtigen Beitrag zur Einsparung von Antriebsenergie. Das Projekt schaffte 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.

Informationen zum Abschlussbericht

Ansprechpartner: Markus Hundshagen