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Verfahrenstechnik 9/2015

Verfahrenstechnik 9/2015

TOP-THEMA I PUMPEN

TOP-THEMA I PUMPEN Pulsationsstudien Präzise Auslegung von Pumpenrohrleitungs-Systemen durch CFD-Simulation Bettine Kuhnert Eine neue Software mit einem leistungsstarken eindimensionalen CFD-Modul ermöglicht genaue Aussagen zu dynamischen Vorgängen oder Druckamplituden, etwa beim Parallelbetrieb von Pumpen. Speziell bei oszillierenden Verdrängerpumpen sind die Wechselwirkungen mit den angeschlossenen Rohrleitungen und Anlagenteilen zu beachten. Besonders wenn große Pumpen mit hoher hydraulischer Leistung zum Einsatz kommen, müssen die Konstrukteure bereits im Vorfeld sicherstellen, dass der gesamte Anlagenaufbau aufeinander abgestimmt ist. Mithilfe von Pulsationsstudien sorgt der Pumpenhersteller Lewa deshalb schon bei der Planung dafür, dass das Gesamtsystem später zuverlässig und sicher arbeitet. Die Komplexität der Anlage wird dabei ebenso berücksichtigt wie die Kinematik, die Zylinderzahl der Pumpe und der Hubfrequenzbereich. Auch die Eigenschaften des Fluids wie Viskosität, Kompressibilität, Dampfdruck und Schallgeschwindigkeit spielen eine wichtige Rolle bei der Auslegung. Die Analyse im Planungsstadium erfolgt ausschließlich auf der Basis von Computersimulationen mit der Lewa-eigenen Software Pumpdesign. Dabei werden im Detail die Druckpulsation und deren Frequenzspektrum untersucht, um bereits im Vorfeld mögliche Kavitation und Überlastung zu vermeiden. Auf dem Prüfstand Diese Berechnungen dienen zur Optimierung der Pulsationsdämpfung und Rohrleitungsdimensionierung, um so typische Probleme wie Ermüdungsschäden an Rohrleitungen und anderen Komponenten zu verhindern. Dabei ist eine eindimensionale CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) meist der beste Kompromiss zwischen Genauigkeit und Rechenzeit. Die Navier-Stokes-Gleichungen, die die Fluiddynamik vollständig beschreiben, lassen sich für große und komplexe Systeme aufgrund der dafür benötigten Rechenzeit nicht direkt lösen. Deshalb sind einige Annahmen und Vereinfachungen nötig, um Gleichungen zu erhalten, die die physikalischen Vorgänge im Pumpen-Rohrleitungssystem noch in guter Näherung beschreiben. Zugleich müssen sie auch im Falle eines sehr langen und komple- xen Leitungssystems schnell vom Computer gelöst werden. Bei diesem notwendigen Vereinfachungsprozess geht die Information über die innere Reibung im Fluid, die ursprünglich in den vollständigen physikalischen Gleichungen enthalten war, verloren und muss im Anschluss wieder „künstlich“ hinzugefügt werden. Das kann mit verschiedenen Modellierungsansätzen erfolgen, die jedoch für die Nutzung in der eindimensionalen CFD-Software zunächst validiert werden mussten. Simulation vs. Messung Als Validierungswerkzeug haben die Ingenieure einen komplexen Pulsationsprüfstand konstruiert und gebaut, um Simulationen und Messungen in Echtzeit vergleichen zu können. Somit gibt es einen Gradmesser dafür, wie gut die numerische Vorhersage der jeweiligen Modellierungsansätze ist. „Im Versuchsaufbau haben wir eine Lewa-Dosierpumpe vom Typ LDC- M910S in einer Triplex-Konfiguration mit variabler Hublänge zwischen 0 und 15 mm an jedem Pumpenkopf installiert. Die maximale Geschwindigkeit der Pumpen beträgt 420 spm“, erläutert Marco Klinkigt, der verantwortliche Physiker aus der Abteilung technisches Produktmanagement bei Lewa. Der absolute Förderdruck ist im Bereich zwischen 1 und 146 bar anpassbar. Der Druck-Zeitverlauf lässt sich während des Betriebs an vielen verschiedenen Positionen messen. Die Länge der Leitung zwischen dem Sammelrohr und dem Behälter ist variabel von 20 auf bis zu 80 m anpassbar. Der Rohrleitungsverlauf kann so durch Öffnen oder Schließen der Ventile modifiziert und Resonatoren sowie Dämpfervorrichtungen an verschiedenen Stellen installiert werden. Verschiedene Reibungsmodelle Im Allgemeinen wird zwischen zwei Klassen von Reibungsmodellen unterschieden, die in eindimensionalen CFD-Berechnungen verwendet werden. Instationäre Modelle berücksichtigen den Umstand, dass sich das Strömungsprofil mit der Zeit ändert. Stationäre Modelle tun das hingegen nicht. In vielen Anwendungen ändert sich der Volumenstrom nicht oder nur sehr langsam, zum Bei- Autor: Bettine Kuhnert, freie Redakteurin, München 32 VERFAHRENSTECHNIK 9/2015

PUMPEN I TOP-THEMA Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit der Messung zeigt die Überlegenheit des instationären Reibungsmodells spiel in Systemen mit Kreiselpumpen. Dort sind stationäre Reibungsmodelle geeignet. „Bei oszillierenden Verdrängerpumpen hingegen ändert sich der Volumenstrom typischerweise sehr schnell und sehr stark, weshalb nie ein vollständig entwickeltes Strömungsprofil in der Rohrleitung entsteht“, erläutert Klinkigt die Problematik. Das hier nötige instationäre Modell ist jedoch deutlich aufwändiger zu implementieren und erfordert wesentlich mehr Rechenzeit. Lewa hat das neuentwickelte CFD-Modul mit stationärem und instationärem Reibungsmodell validiert. Ersteres wurde zusätzlich durch eine kommerzielle Software gegengeprüft. Die Ergebnisse der Lewa- Software stimmten dabei mit denen der externen Software überein. Im Anschluss mussten beide Reibungsmodelle auf den experimentellen Prüfstand und zeigen, wie gut sie die tatsächlichen Messergebnisse reproduzieren können. Gute Übereinstimmung Der Vergleich zwischen den Messreihen zeigt deutlich, dass das instationäre Reibungsmodell eine qualitativ und quantitativ bessere Übereinstimmung mit den Mess ergebnissen liefert. Ein signifikanter Unterschied zwischen den Simulationser- gebnissen ist das Abklingverhalten der initialen Ankoppeldruckspitze. Aufgrund der Kompressibilität des Fluids öffnen sich die Ventile am Pumpenkopf mit einer gewissen Verzögerung. Sind die Ventile schließlich offen, hat der Kolben schon eine gewisse Geschwindigkeit. Die Ankopplung zwischen dem Fluid in der Leitung und dem Fluid im Pumpenkopf kann dann sehr hart sein und zu den sogenannten initialen Ankoppeldruckspitzen führen. Die Simulation mit dem instationären Reibungsmodell reproduziert nahezu dasselbe Abklingverhalten wie die Messergebnisse. Während beim stationären Reibungsmodell in vielen Testmessungen eine deutlich schlechtere Übereinstimmung – insbesondere bei der peak-to-peak-Druckpulsation – beobachtet wurde, zeigen die Ergebnisse der Simulationen mit dem instationären Reibungsmodell eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messwerten. Das Resümee von Klinkigt ist somit klar: „Instationäre Reibungsmodelle in eindimensionalen CFD-Berechnungen zeigen sehr gute Übereinstimmung mit den Messergebnissen und helfen unnötige, unwirtschaftliche oder im schlimmsten Fall überflüssige Maßnahmen zur Verringerung der Druckpulsation zu vermeiden.“ www.lewa.de

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