Effizienzerhöhung von Fluidfördersystemen (PDF)

Ein zentrales Anliegen von Pumpenforschern und -entwicklern ist die Bereitstellung energieeffizienter und zuverlässig funktionierender Pumpen - Pumpen also mit hoher wirtschaftlicher Effizienz. Neben der optimierten Auslegung von Pumpen bereits in der Produktentwicklung ist hierbei die Echtzeit-Überwachung der Pumpe im laufenden Betrieb eine entscheidende Voraussetzung für solch einen wirtschaftlich effizienten Betrieb. Die heute in der industriellen Praxis zum Einsatz kommenden Methoden geben jedoch häufig nur unzureichend Aufschluss über den Betriebs-, Belastungs- und Verschleisszustand der Pumpe. In dieser Arbeit werden deshalb drei neue Massnahmen vorgestellt, die zur Erhöhung der Energieeffizienz und der Verfügbarkeit von Pumpen beitragen.
Eine wichtige Grösse zur Detektion von Leckagen und zur energieoptimalen Anpassung der Pumpendrehzahl ist der aktuell durch die Pumpe fliessende Volumenstrom. Aus Kostengründen wird dieser heute jedoch meist gar nicht erfasst. Deshalb wurde in dieser Arbeit die integrierte Volumenstromerfassung untersucht, welche die Messung desselben mit günstigen, innerhalb der Pumpe angebrachten Drucksensoren ermöglicht. Anhand experimenteller Untersuchungen wurde gezeigt, dass eine Volumenstrombestimmung mit einer Genauigkeit von ca. ± 1 % Messabweichung vom wahren Volumenstromwert - auch für unterschiedliche Reynoldszahlen - möglich ist. Somit ist nun die wissenschaftliche Grundlage für eine kostengünstige, integrierte Volumenstrombestimmung geschaffen.
Eine wichtige Belastungsgrösse für eine Pumpe ist Kavitation. Die Bestimmung der Kavitationsintensität ist in der industriellen Praxis bisher nicht möglich. In dieser Arbeit wurde deshalb auf die Kavitationsintensität in einer Pumpe über aussen am Gehäuse vorliegende Messsignale geschlossen. Zwar ist eine experimentelle Kalibrierung hierbei nur unter realer Kavitationseinwirkung möglich, dennoch kann das am Gehäuse gemessene akustische Kavitationsintensitätskennfeld zur Überwachung des Kavitationsverhaltens einer drehzahlvariablen Pumpe genutzt werden. Abweichungen zu diesem Kennfeld weisen auf veränderte Kavitationsrandbedingungen im Betrieb gegenüber dem Referenzzustand hin.
Kenntnis über den Verschleisszustand einer Pumpe ist nötig, um zum einen ein Bauteil vor seinem Versagen austauschen und um zum anderen schleichende Wirkungsgradverluste identifizieren zu können. In dieser Arbeit wurde deshalb die Grundlage geschaffen, den Verschleisszustand des Dichtspalts in Pumpen nach Spiralgehäuseart modellbasiert zu bestimmen. Aus den drei im Betrieb gemessenen Grössen Volumenstrom, Druckdifferenz über den Spalt und Drehzahl wird die erwartete Druckdifferenz im Radseitenraum berechnet und mit der tatsächlichen verglichen. Aus der Differenz kann auf die Grösse der Spaltmassänderung geschlossen werden. Mit diesem Verfahren wird eine Genauigkeit erreicht, mit der über den gesamten Betriebsbereich die tatsächliche Spaltmassänderung um maximal 5 Prozentpunkte überschätzt wird. Das Verfahren kann auf Fälle, in denen keine Reynoldsgleichheit vorliegt (z. B. bei drehzahlgeregelten Pumpen) erweitert werden. Somit ist es möglich, durch eine einfache Messanordnung Rückschluss auf den Verschleisszustand der Pumpe zu ziehen. Wartungsintervalle können nun beispielsweise so geplant werden, dass ein kostspieliges Versagen der Pumpe nicht auftritt bzw. ein Absinken der Effizienz der Pumpe zum optimalen Zeitpunkt behoben wird.