Den Vorsprung berechnen

Strömungssimulation optimiert Energiebedarf von Pumpen

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12.03.2009 Pumpen gehören in verfahrenstechnischen Anlagen zu den größten Kostentreibern. Daher achten Anwender zunehmend auf niedrigen Energiebedarf, hohen Wirkungsgrad und geringe Wartungskosten bei der Investition. Um sich im Wettbewerb nach vorn zu platzieren, hat ein Pumpenhersteller in eine Simulations-Software investiert. Damit ließen sich Druck- und Strömungsgeschwindigkeitsverteilungen simulieren und die Produkte verbessern.

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Entscheider-Facts Für Anwender


  • Bis zu 85% der Lebenszykluskosten einer Pumpe entfallen auf die Energiekosten. Wirkungsgrad und Energiebedarf sind wesentliche Entscheidungskriterien für die Investition in eine Pumpe.
  • Verbesserungspotenziale von Pumpen können Hersteller über die CFD-Simulation der Druck- und Geschwindigkeitsverteilung erkennen.
  • Der Einsatz von CFD-Software erlaubt, bereits theoretische Entwürfe vor dem Prototypenbau genau zu untersuchen.

Wir haben verstanden, dass umweltfreundliches und umweltbewusstes Handeln die Grundvoraussetzung ist, unsere Kunden auch in der Zukunft bedienen zu können“, erläutert Thomas Folsche, Leiter Technik bei CP Pumpen in Zofingen in der Schweiz, die Philosophie seines Unternehmens. Das Unternehmen hat sich das Thema Nachhaltigkeit schon lange auf die Fahnen geschrieben. Und das nicht ohne Grund. Pumpen zählen zu den größten industriellen Stromverbrauchern. Die Stromkosten einer Pumpe können im Betrieb bis zu 85% ihrer gesamten Lebenszykluskosten ausmachen. Das eröffnet enorme Einspar- und Optimierungspotenziale, wie die Verbesserung der hydraulische Performances, die Steigerung der Wirkungsgrade und die Senkung der Energiebedarfe.

Schnell und kostengünstig entwickeln

Vor über 20 Jahren haben Ingenieure des Schweizer Pumpenherstellers eine metallische Chemienorm-Magnetkupplungspumpe (MKP) ohne Gleitlagerträger erfunden, die Anfang 2000 gründlich überarbeitet wurde. Nach anfänglichen Versuchen mit selbst erstellten Entwicklungswerkzeugen, stellte sich heraus, dass die herkömmliche Methode viel zu zeitaufwendig und teuer ist. Die Designentwürfe waren nur anhand von Kennzahlen vergleichbar, mussten jedes Mal einzeln gefertigt und anschließend auf dem hydraulischen Prüfstand getestet werden. „Auf der Suche nach Alternativen stießen wir auf die Simulationsprogramme Ansys CFX und Blade Modeler. Mit dem Modellierungsprogramm Blade Modeler können wir schnell und einfach Laufradgeometrien modellieren“, sagt Folsche. Dabei können die Anwender sowohl die Meridiankontur als auch die Schaufeln selbst entwerfen sowie den Verlauf der Schaufeldicken beeinflussen. Die Software ermittelt für die entworfenen Schaufelgeometrien Kennzahlen, wie zum Beispiel ein Querschnittsflächenprofil des Schaufelgitters über der Schaufellänge, so dass sich der Verlauf der Strömungsverzögerung abschätzen lässt.

Aus dem Modellierungsprogramm heraus kann der Ingenieur dann die CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) starten, die es ermöglicht, Druck- und Geschwindigkeitsverläufe im Laufrad zu berechnen sowie Wirkungsgrad und Förderhöhe des Laufrades abzuschätzen. So hat der Schweizer Pumpenhersteller nach und nach für eine Pumpengröße mehrere Laufradentwürfe optimiert und anschließend auf dem firmeneigenen Pumpenprüfstand in bestehenden Spiralgehäusen getestet.
Für die Testläufe haben die Ingenieure ein Verfahren entwickelt, das es erlaubt, im Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellte Versuchslaufräder aus Kunststoff mit den erforderlichen Anschlusskomponenten aus Metall (z.B. Lagerung oder Magnetantrieb) zu kombinieren und in bestehenden Pumpengehäusen zu testen. So kann der Hersteller schnell und kostengünstig mehrere Entwürfe bauen, miteinander vergleichen und validieren. „Bisher wurde ein Bauteil zuerst konstruiert und dann getestet, um anschließend die erkannten Schwachstellen zu modifizieren. Heute können Simulationen das Produktverhalten vorab im Rechner bewerten und optimieren. Der Schlüssel zum Erfolg liegt darin, die CAE-Anwendungen möglichst früh in der Entwicklungsphase einzusetzen,“ erläutert Mathias Jirka, Marketing bei Ansys, die simulationsgetriebene Produktentwicklung.

Lohnende Investition

Tatsächlich verbesserten manche der per CFD entwickelten Laufräder auf dem Pumpenprüfstand zum Teil massiv die Hydraulik der Pumpe. Andere zunächst aussichtsreiche Entwürfe erwiesen sich nach der rechnerischen Betrachtung mit CFD als Flop. „Für uns war das saubere Auslegen der Laufräder der Knackpunkt, speziell bei der besonderen Konstruktion unserer Pumpen. Die Spirale ist ein Teil, das sich nach den bekannten Gesetzmäßigkeiten ganz gut von Hand rechnen lässt, so dachten wir zumindest“, erinnert sich Folsche. Das Entwicklungsteam merkte schnell, dass das Zusammenspiel von Spirale und Laufrad viel wichtiger ist als ursprünglich angenommen. Heute weiß der erfahrene Ingenieur, dass man bei der Optimierung einer Pumpe nicht ein Teil alleine, sondern die Gesamtheit betrachten muss.

Nach kurzer Marktuntersuchung entschloss sich die Unternehmensführung, auch aufgrund der guten Erfahrungen mit dem Schaufelmodellierungstool, für den systematischen Einsatz der Simulationssoftware CFX. „Wir fühlen uns bei dem Software-Anbieter gut unterstützt und haben das Gefühl, dass uns auch geholfen wird, wenn wir selber mal nicht mehr weiterkommen“, betont Thomas Folsche. Aus Ressourcengründen wurden die ersten Simulationen noch „stationär“ gerechnet. Die zeitlich veränderliche Stellung der Laufradschaufeln im Spiralgehäuse wird bei dieser Simulationsart nicht berücksichtigt. Am Anfang versuchten die Ingenieure parallel auf verschiedenen PCs zu rechnen. Dadurch waren jedoch Größe des Modells und Schwierigkeit der Berechnung stark limitiert. Das Unternehmen beschloss Nägel mit Köpfen zu machen. „Wir haben einen leistungsfähigen Rechencluster mit mehreren Prozessoren, großem Arbeitsspeicher und mehrere Software-Lizenzen gekauft und einen Mitarbeiter gefunden, der sich an der Hochschule schon mit der numerischen Strömungssimulation beschäftigt hat“, so Folsche. Ein Investment, von dem die Chefetage erst einmal überzeugt werden musste. Als mit ein wenig Glück schon wenige Monate später die erste erfolgreiche Pumpenentwicklung auf dem Prüfstand lief, musste der Technische Leiter keine Überzeugungsarbeit mehr in der Chefetage leisten: „Natürlich fallen einige Software- und Personalkosten an. Aber: Wenn ich im Jahr vier Pumpen mit CFD entwickle, erspare ich mir bei jeder Pumpengröße eine Modelländerung. Dann hat sich die Investition bereits amortisiert.“

In Rekordzeit optimiert

Der Zeitaufwand für eine transiente Berechnung einer Pumpe ist deutlich höher, dafür sind aber die Ergebnisse umso zuverlässiger. Ein weiteres Plus: Neben den hydraulischen Daten (Förderhöhe, Leistungsaufnahme, Wirkungsgrad) erhält der Anwender auch Informationen über die Druckverteilung innerhalb der Pumpe. So lassen sich zum einen die wirkenden Lagerkräfte auf die Laufradlagerung ermitteln, zum anderen lässt sich berechnen, welche Flüssigkeitsteilströme zum Beispiel durch Lagerung oder Spalttopfraum der Pumpen fließen. Mit der Simulation konnte das Unternehmen bei zwölf seiner 18 verschiedenen Pumpengrößen des Modells MKP nicht nur die hydraulische Performance steigern, sondern auch die mechanische Belastung auf die Laufradlagerungen minimieren. Damit erhöhen sich die Standzeiten der Pumpen deutlich. Ein weiterer Vorteil der hydraulischen Optimierung ist die gleichzeitige Lärmreduktion der Pumpen. „Ohne CFD hätten wir mindestens drei Mal so viel Zeit dafür gebraucht“, ist Folsche sich sicher.

Neben den Magnetkreiselpumpen bietet der Pumpenhersteller auch korrosionsfeste PFA-ausgekleidete Chemienorm-Magnetkupplungspumpen an. Bei ihrer Entwicklung kann das Unternehmen noch deutlich mehr vom Einsatz der Berechnungssoftware profitieren, weil die Werkzeugkosten viel höher sind, die Konstruktion der Pumpen anspruchsvoller ist. „Bei Kunststoffpumpen kommt die Herstellbarkeit der Bauteile hinzu, ich bin nicht mehr so frei in der hydraulischen Formgebung“, betont Folsche. „Mit den Werkzeugen sind wir sehr gut in der Lage ein Laufrad hydraulisch und fertigungstechnisch so zu modulieren, dass wir beide Anforderungen unter einen Hut bekommen.“

Ruckzuck amortisiert

Um einen objektiven Vergleich zum Wettbewerb zu erhalten, hat CP Pumpen ihre Produkte im „European Guide to Pump Efficiency for Single Stage Centrifugal Pumps“ eingetragen (2003). „Vor der Überarbeitung waren die Wirkungsgrade schon annehmbar, heute sind sie sehr gut.“, schmunzelt Folsche. „Mit der Strömungssimulation haben wir unterm Strich Verbesserungen von bis zu 50% erreicht.“ Für den Kunden ist entscheidend, dass die Pumpe wenig Strom braucht und wartungsarm ist. „Wir durften letztes Jahr zwei große Wärmeträger-Öl-Pumpen ersetzen. Die Energieersparnis ist so hoch, dass sich die Investition bereits nach einem Jahr bezahlt macht“, so der Geschäftsführer von CP Pumpen Urs Würsch. Steigt der hydraulische Wirkungsgrad einer Flüssigkeitspumpe, dann sinkt auch der Energieverbrauch. Die mit Ansys CFX optimierten Hydraulik-Komponenten sorgen für hohe Wirkungsgrade und zusammen mit wirbelstromfreien Spezial-Spalttöpfen ist es möglich, Stromkosten-bis zu mehreren Tausend Euro im Jahr zu sparen.

 

 

Heftausgabe: März 2009
Dr. Christine Eckert

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