Wirkungsgradmodell rotierender Verdrängerpumpen auf Grundlage von Ähnlichkeitsbeziehungen

Der Wirkungsgrad von rotierenden Verdrängerpumpen wird im Rahmen der allgemeinen Bemühungen um Energieeffizienz zukünftig an Bedeutung gewinnen. Eine zentrale Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang der Berechnung des Wirkungsgradverhaltens von rotierenden Verdrängerpumpen zu, sowohl hinsichtlich möglicher legislativer Anforderungen als auch durch Bestrebungen auf Anwenderseite, den Energieverbrauch von Verdrängerpumpen bei der Anlagenplanung zu berücksichtigen und zu optimieren. Dazu bedarf es physikalisch basierter und einfach anwendbarer Modelle. Darunter werden stationäre 0D-Modelle verstanden, die das Wirkungsgradverhalten mit algebraischen Gleichungen in Abhängigkeit der relevanten Einflussgrößen beschreiben. In diesem Kontext wird in dieser Arbeit die Frage nach Ähnlichkeitsbeziehungen gestellt, die sich für die Wirkungsgradmodellierung rotierender Verdrängerpumpen sinnvoll anwenden lassen. Zur Beantwortung werden sowohl theoretische als auch experimentelle Untersuchungen an den drei Pumpentypen dreispindlige Schraubenpumpe, Außenzahnradpumpe und zweiflügelige Drehkolbenpumpe durchgeführt. Der Schwerpunkt der theoretischen Untersuchungen ist die Herleitung problemspezifischer dimensionsloser Größen mittels Dimensionsanalyse, anhand derer der Wirkungsgrad für die verschiedenen Pumpentypen einheitlich dargestellt werden kann. Ferner werden zwei semi-axiomatische Modelle für die volumetrischen und mechanisch-hydraulischen Verluste aufgestellt, auf deren Grundlage das Wirkungsgradverhalten bei quantifizierter Modellunsicherheit vorhergesagt werden kann. Die Messung von stationären Kennfeldern an Baureihen von Schrauben- und Zahnradpumpen sowie an einer einzelnen Drehkolbenpumpe mit insgesamt vier unterschiedlichen Hydraulikölen stellen die experimentellen Untersuchungen dar. Im Rahmen der Modellvalidierung werden die Abweichungen der Modellvorhersagen anhand der experimentellen Vergleichsdaten sowie die Unsicherheit der Modellvorhersagen über ein Vertrauensintervall dargestellt, diskutiert und abschließend bewertet.

The efficiency of rotary displacement pumps will become more important due to the ongoing efforts to reduce energy consumption. In this context, modeling the efficiency of these pumps is of central importance. This requires physically based, easily applicable and stationary 0D models describing the efficiency with algebraic equations considering the relevant influencing variables. Against this background, this doctoral thesis investigates the similarity of rotary positive displacement pump and its application to efficiency modeling. Therefore, both theoretical and experimental investigations are carried out considering the following three pump types: three spindle screw pump, external gear pump and two rotor lobe pump. The focus of the theoretical investigations lies on the derivation of problemspecific dimensionless quantities by means of dimensional analysis. These quantities serve a uniform description of the efficiency behavior of all pump types. In addition, two semi-axiomatic models are developed both for the volumetric and mechanical hydraulic losses. These models allow the efficiency prediction including a confidence interval. The measurements of steady-state characteristic curves on a series each of screw pumps and gear pumps as well as on a single rotary lobe pump represent the experimental investigations. On this experimental database, the model predictions as well as their confidence intervals are discussed and validated.