Entwicklungspotenziale bei Fluidfördersystemen

In verschiedensten Bereich der Technik besteht die Aufgabe, eine Flüssigkeit zu fördern und dabei deren Druck zu erhöhen.

Die Aufgabe der Energiezufuhr an die Flüssigkeit übernehmen Pumpen, die je nach Flüssigkeitseigenschaften und Förderdaten auf unterschiedlichen Wirkprinzipien beruhen. Die mechanische Form der Energie zum Antrieb der Pumpen wird überwiegend von rotierienden elektrischen Maschinen bereit gestellt.

Verdrängerprinzip

Als Wirkprinzipien der Fluidförderung finden sich das Verdrängerprinzip und das rotodynamische Prinzip. Ersteres resultierte auch in der belebten Natur aus der natürlichen Evolution als Prinzip des Herzens im Blutkreislauf und fand sich in der Technikgeschichte als manuell betätigte Kolbenpumpe zur Wasserförderung in den ältesten Fluidfördersystemen.

Ein weiteres in der biologischen Evolution entstandenes Verdrängerprinzip ist die Peristaltik eines schlauchartigen Hohlkörpers, wie es sich im Körper in Form von Darm und Speiseröhre findet. Eine solche Linearpumpe hat in der Technik bisher bei Schlauchpumpen nur eine ansatzweise bionische Umsetzung erfahren.

Bei Pumpen nach dem Verdrängerprinzip liegen die Bauteil- und Fluidgeschwindigkeiten nur in der Größenordnung der zum Transport erforderlichen Geschwindigkeit, die viskosen Reibungsverluste sind daher relativ gering und es sind dementsprechend hohe Wirkungsgrade auch mit Fluiden hoher Viskosität möglich.

Rotodynamisches Prinzip

Ein natürliches Analogon zu Pumpen nach dem rotodynamischen Prinzip findet sich nicht.. Hier erfolgt die Energieübertragung an das Fluid mit Hilfe eines rotierenden Laufrads. Die dem Fluid zugeführte Energie ist bei Kreiselpumpen proportional zum  zum Quadrat der Laufrad-Umfangsgeschwindigkeit. Hydrodynamische Verluste sind bei genau einem Volumenstrom minimal und wachsen bei Abweichungen von diesem idealen Vorlumenstrom deutlich an. Charakteristisch ist auch die die lokale Druckabsenkung im Eintrittsbereich des Laufrads. Bei einem unzureichenden Eintrittsdruck kommt es dadurch zur Kavitation, d.h. zu lokaler Verdampfung und Rückkondensation mit damit verbundenen Nachteilen, wie Geräuschbildung und Materialerosion.

Grundfunktionen

Fluidfördersysteme nach den oben genannten Prinzipien müssen bestimmte Grundfunktionen erfüllen:

  • Energieübertragung
  • Erzeugung von Kräften und Momenten
  • Aufnahme der vom Fluid aus wirkenden Reaktionskräfte
  • Abdichtung gegen Flüssigkeitsaustritt

zusätzliche Funktionen

Aus steigenden Anforderungen an die Effizienz, Sicherheit und Verfügbarkeit von Fluidfördersystemen erwächst der Bedarf an zusätzlichen Funktionen. Diese gliedern sich in zwei Kategorien. Die erste Kategorie beschreibt Funktionen zur Bereitstellung von Informationen über den Zustand des Fluidfördersystems:

  • aktueller Betriebszustand (Volumenstrom, Druckerhöhung, Wirkungsgrad, ...)
  • aktueller Fluidzustand (Temperatur, davon abhängige Stoffeigenschaften)
  • Erkennung von für die Verfügbarkeit relevanten Betriebszuständen (Kaviation, Teillastbetrieb)
  • Erkennung von Störungen (Trockenlauf, Luftmitförderung)
  • Diagnose von Schäden (Verschleiß, Ablagerungen, Sensorfehler, Eektronikfehler)

Die zweite Kategorie beinhaltet Funktionen zur autonomen aktiven Reaktion eines Fördersystems auf die Funktionen der ersten Kategorie. Diese Zusatzfunktionen besitzen hohes Zukunftspotenzial, befinden sich derzeit aber noch im Forschungsstatdium:

  • Optimierung des Betriebszustandes
  • Fehlermanagement
    • Fehlerkompensation durch aktive Nachstellung von Spaltverschleiß
    • Nutzung redundant vorhandener Funktionen
  • Aktive Beeinflussung nachteiliger Vorgänge (z.B. aktive Schwingungsminderung, Verhinderung von

Lösungsansätze des Forschungsprojekt

Zur Realisierung der oben genannten Zukunftspotenziale hat sich an der TU Darmstadt eine Gruppe von Wissenschaftlern aus den Fachbereichen Elektro- und Informationstechnik und Maschinenbau zusammengefunden, die in enger Kooperation einen Beitrag leisten wollen.

Dabei sollen zwei auf unterschiedlichen Wirkprinzipien beruhende Lösungsansätze verfolgt werden, um für die unterschiedlichsten Anwendungsfelder (von Medizin- und Bioverfahrenstechnik bis zur Energie- und Großanlagentechnik) und dem damit einhergehenden breiten Sprektrum der Eigenschaften des zu fördernden Fluids gerecht zu werden.

autonome rotodynamische Pumpenmodule

Der erste Ansatz besteht in integrierten autonomen Pumpenmodulen nach dem rotodynamischen Prinzip für niedrigviskose Flüssigkeiten. Ein integriertes Modul umfasst neben dem Laufrad den elektrischen Antrieb, wobei ein scheiben- bzw. ringförmiger Teil des Laufrads zugeleich den Rotor des Motors bildet, dessen Statorteil im Gehäuse integriert ist.

In jedem Modul werden Sensoren Informationen über den aktuellen Betriebs-, Fluid- und Bauteilzustand erfassen. Zur Erkennung von Zuständen und Fehlern sollen neben signalgestützten auch modellbasierte Verfahren entwickelt und eingesetzt werden.

Wesentliche Aspekte der Forschungsarbeit betreffen die genannten Zusatzfunktionen zur Systemreaktion. Dabei wird die Drehzahl jedes Moduls als Stellglied genutzt.

peristaltische Pumpmodule

Der zweite Ansatz besteht in neuartigen Pumpmodulen auf Basis dielektrischer Polymeraktoren, die peristaltisch wirken. Hier werden zwei Ansätze betrachten.

Der erste Ansatz orientiert sich bionisch am evolutionär entstandenen Hohlorgan: Längs eines Schlauches angeordnete Polymeraktoren ermöglichen die longitudinal fortlaufende Querkontraktion des Schlauchquerschnittes. Das zweite Konzept sieht eine peristaltische Pumpe mit diskreten Kammern vor. Eine Leistungssteigerung ist hier durch den Betrieb in elektromechanischer Resonanz zu erwarten.

Projektpartner

  • Integriertes Sensorsystem
    Prof. Dr.-Ing. habil. Werthschützky
    Dipl.-Ing R. Werner
  • theoretische Analysen, Simulationen
    Prof. Dr.-Ing. Stoffel
    Dipl.-Ing. V. Bischof
  • Antriebe und Lagerungen
    Prof. Dr.-Ing. Binder
  • peristaltische Pumpmodule
    Prof. Dr.-Ing. Schlaak
    Dipl.-Ing. P. Lotz

Kontakt

Technische Universität Darmstadt

Institut für Elektromechanische Konstruktionen

Mikrotechnik

Prof. Dr.-Ing. Helmut F. Schlaak

S3/06 128
Merckstraße 25
64283 Darmstadt

+49 6151 16-4696
+49 6151 16-4096

Mess- und Sensortechnik

Prof. Dr.-Ing. habil. Roland Werthschützky

S3/06 127
Merckstraße 25
64283 Darmstadt

+49 6151 16-4013
+49 6151 16-4096

Lichttechnik

Prof. Dr.-Ing. habil. Tran Quoc Khanh

S2|09 14
Hochschulstraße 4a
64289 Darmstadt

+49 6151 16-6142
+49 6151 16-5468

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