Drei Schritte zum Ziel

Entwicklung, Auswahl und Bewertung von Kompressoren mit Hilfe von Software

Anlagenbau
Chemie
Pharma
Ausrüster
Planer
Betreiber
Einkäufer
Manager

03.08.2011 Kompressoren sind in der Industrie insbesondere in der Verfahrenstechnik und Chemieindustrie weit verbreitet. Ihre Anwendungsbereiche sind sehr vielfältig. Primär dienen Sie der Verdichtung von gasförmigen Fluiden, um diese auf ein höheres Druckniveau zu heben. Jetzt erlaubt ein Softwaretool bzw. -verfahren auf Basis numerischer Strömungsberechnungen eine Analyse der Vorgänge im Kompressor.

Anzeige

Entscheider-Facts Für Anwender

  • Moderne Softwarewerkzeuge werden immer häufiger in Entwicklungsprozessen für Produkte, Maschinen und Prozessanlagen eingesetzt.
  • Genauso können diese Werkzeuge aber auch im Entscheidungsprozess für die
  • Auswahl eines Produktes beziehungsweise für die Anpassung einer Anlage für einen
  • besonderen Anwendungsfall zur Hilfe
  • genommen werden.
  • Im Zusammenhang mit der Entwicklung, Analyse und Optimierung von Kompressoren und Verdichtern wurde ein Softwaretool bzw. -verfahren entwickelt, das auf Basis numerischer Strömungsberechnungen CFD (Computational Fluid Dynamics) eine Analyse der Vorgänge im
  • Kompressor erlaubt.
  • Das Verfahren eignet sich auch, um
  • in einem Auswahlprozess verschiedene Kompressoren zu beurteilen oder einen Kompressor auf einen eigenen Anwendungsfall mit besonderen Betriebsbedingungen anzuwenden.

Zwei Funktionsweisen bestimmen das Kompressionsverfahren, der Turboverdichter für große Volumenströme bei relativ kleinen Zieldrücken und der Kolbenverdichter für geringere Volumenströme bei hohen gewünschten Zieldrücken. Turboverdichter werden beispielsweise für Abgasturbolader und in Strahltriebwerken eingesetzt und arbeiten mit kontinuierlichem Druckaufbau. Diese Maschinen können mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik und CFD-Modelle (Computational Fluid Dynamics) mittlerweile sehr genau modelliert werden. Im Bereich der Entwicklung, Analyse und Optimierung werden die Softwarewerkzeuge im Rahmen der CAE standardmäßig im Entwicklungsprozess eingesetzt.

Herausforderung für die Simulation
Anders verhält es sich im Bereich der Kolbenverdichter und artverwandter Maschinen. Obwohl das Prinzip der diskontinuierlichen, zyklischen Verdichtung baulich relativ einfach erscheint, stellt es für die Modellierung und Simulation einige Herausforderungen auf. Durch die Hubbewegung des Kolbens und sich öffnender und schließender Ventile verändert sich zu jedem Zeitpunkt das mit Gas gefüllte Volumen. Soll der komplette Vorgang im Modell abgebildet werden, bedingt das sich verändernde Gasvolumen ein sich ebenfalls änderndes Berechnungs- und Bilanzierungsvolumen. Die vorliegende Bewegung ist zudem nicht zwangsläufig vorgegeben, sondern wird erschwerend durch die internen Variablen wie Druck und Temperatur mit beeinflusst. Die Abbildung eines solchen komplexen Prozesses ist mittlerweile grundsätzlich in einem CFD-Paket möglich, bedingt allerdings enormen Modellierungsaufwand und sehr große Rechenzeiten trotz immer größerer Rechenkapazitäten. Die instationäre Auflösung des Prozesses erzwingt bei numerisch akzeptablen Fehlern sehr kleine Zeitschritte, die mehrere Größenordnungen unter der Prozesszeit liegen. Das auftretende Zeitskalenproblem in Zusammenhang mit dem variablen Fluidvolumen ist letztendlich die große Hürde für den vermehrten Einsatz der Methode bei der Kompressorentwicklung und Auswahl.

Softwarewerkzeug zur Kompressorenanalyse
In mehreren Entwicklungsprojekten wurde daher ein neues Verfahren erarbeitet, das die Analyse der Vorgänge in Kolbenkompressoren möglich macht. Dieses kombiniert eine analytische, instationäre Kompressorberechnung mit einem CFD-basiertem Kennfeld, das die strömungsmechanischen Charakteristika der Apparategeometrie abbildet. Durch Anwendung dieses schnellen Verfahrens lassen sich Schwachstellen in der Kompressorkonstruktion und/oder Verhalten erkennen und bauliches Optimierungspotenzial ausschöpfen. Grundprinzip des entwickelten Auslegungsprogramms ist die Beschreibung des instationären Füllvorgangs eines Druckluftbehälters durch einen Kolbenkompressor und die damit im Zusammenhang stehenden Strömungsvorgänge sowie letztendlich das Bestimmen der Effizienz und das Offenlegen des Optimierungspotenzials des Kompressors. Die Berechnung gliedert sich im Wesentlichen in drei Schritte:
Schritt 1: Bestimmen des Gegendrucks im Speicherbehälter in Abhängigkeit von der Anzahl von Hüben;
Schritt 2: Bestimmen des Drehmoments auf die Kompressorwelle;
Schritt 3: Bestimmen von Volumenstromaufnahme und Drehzahl sowie des daraus folgenden Zusammenhangs zwischen Fülldruck und Zeit.
Durch diese Schritte lässt sich während der Füllung eines Speicherbehälters die Leistungsaufnahme bestimmen. Weiterhin kann der instationäre Verlauf des Vorgangs analysiert werden. Der erste Berechnungsschritt wird wiederum in die drei Teilschritte Verdichten, Überströmen und Ansaugen zerlegt. Bilder 1 a und 1 b zeigen prinzipiell die vereinfachte Geometrie und Definitionen. Beim Verdichten startet der Kolben am unteren Totpunkt und verdichtet die im Zylinder befindliche Luft. Das Überströmen beginnt, sobald der Druck im Zylinder den Öffnungsdruck des Auslassventils übersteigt und endet bei annähernd konstantem Druck, wenn das Ausschieben der Luft aus dem Zylinder erfolgt. Im dritten Schritt des Ansaugens wird vom Kolben auf dem gesamten Weg zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt Frischluft aus der Umgebung angesaugt.
Weiterhin liegen dem Prozess folgende Annahmen zugrunde. Der Verdichtungsvorgang ist reversibel und adiabat, das Speichervolumen ist konstant. Beim Kompressionsvorgang ergeben sich jetzt verschiedene Verluste, die den Prozess stark beeinflussen. Zu diesen Verlusten gehören der Ansaugdruckverlust, der Überstromdruckverlust sowie ein Porositätsverlust für den Fall, dass Filter oder ein poröser Kolben verwendet werden. Beim Ansaugen muss die Strömung aus der Umgebung über das Ansaugventil bis in den Zylinder verschiedene Strömungswiderstände überwinden und erfährt damit Verluste. Aus diesem Grund muss im Zylinder zuerst ein Unterdruck erzeugt werden, bevor der Kolben Luft ansaugt.
Der Überströmdruckverlust lässt sich analog zum Ansaugdruckverlust beschreiben, da auch bei der Strömung aus dem Zylinder über das Auslassventil durch Rohrleitungen zum Speichervolumen Druckverluste auftreten.
Mit dem Überströmdruckverlust können beispielsweise Porositätsverluste auftreten, wenn der Kolben selbst porös ist. Daher wird sowohl beim Verdichten als auch beim Überströmen ein Teil der Luft über den Kolben aus dem Zylinder abströmen. Die abströmende Menge ist wesentlich vom Druck im Zylinder und der Geschwindigkeit des Kolbens abhängig. Da die Drehzahl und damit die mittlere Kolbengeschwindigkeit während eines Aufpumpvorganges annähernd konstant sind, wird im Berechnungsverfahren nur die Abhängigkeit vom Druck modelliert. Der Porositätsverlust 1 drückt den Verlust während der Verdichtungsphase aus. Es wird angenommen, dass aufgrund der Porosität der für den Aufbau des Druckes p1 erforderliche Kolbenweg um den Faktor fvp1 länger ist.
Der Faktor VP1 definitert dabei den Porositätsverlust 1 in Prozent. Dies bedeutet, dass bei Überdruck im Speicherbehälter der Kolbenweg um VP1 Prozent länger ist. Der Porositätsverlust 2 drückt den Verlust beim Überströmen aus. Nach dem Öffnen des Auslassventils würde bei verlustfreier Betrachtung das Volumen V1ð2 in den Speicher überströmen. Dieses wird nun durch den Faktor fvp2 verringert.
Über ähnliche Verluste lassen sich auch Ventilumströmungen beim Öffnen und Schließen beschreiben. Mit Hilfe der definierten Strömungsverluste lassen sich nun iterativ Schritt für Schritt die vorliegenden Drücke und Volumina in Kolben und Speichervolumen berechnen. Nach Durchlaufen der Berechnungsschleife liegen nach einer vorgegebenen Anzahl von Hüben der Behälterdruck und die Luftmasse im Speichervolumen als Ergebnis vor. Wesentlich ist, dass die Berechnung stark von den angenommenen Druckverlusten abhängt. Die Eingangsgrößen für die Berechnungsschleife des ersten Schrittes sind nochmals in der Übersicht zusammengefasst:
Schritt 1: Bestimmen der Luftmasse im Speichervolumen nach ?n Hüben.
Im darauf folgenden zweiten Schritt werden die wirkenden Kräfte auf den Kolben und das resultierende Drehmoment berechnet:
Schritt 2: Bestimmen des über eine Umdrehung gemittelten Drehmoments im Hub ns.
Das Drehmoment geht dann schließlich in die Leistungsberechnung ein:
Schritt 3: Bestimmen von Drehzahl und Stromaufnahme im Hub ns.
Somit lassen sich alle interessierenden Größen, wie beispielsweise Drücke, Volumenströme, Massen, Kräfte und Leistungsaufnahme, zeitlich aufgelöst über einen Kompressionsvorgang berechnen und analysieren. Die Verluste sind dabei bestimmende Größen und werden klassisch aus Experimenten, vereinfachten Analysen und Erfahrungen bestimmt. Eine exaktere und moderne Methode, diese Eingangsverluste für die Kompressoranalyse zu bestimmen, stellt die numerische Strömungsmechanik dar.

Mit dem CFD-Modell flexibel analysieren
In einem CFD-Modell wird dazu im Luftraum der Kompressorgeometrie oder in Teilbereichen ein Bilanzierungsgitter aufgebaut. Auf diesem können die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls, Energie und weiteren Variablen iterativ gelöst werden. Mit der Definition von Randbedingungen aus dem Berechnungsprogramm lassen sich nun stationär einzelne Betriebszustände simulieren. Aus diesen können dann die beschriebenen Druckverluste exakt bestimmt werden, um in das Berechnungsprogramm einzufließen. Das CFD-Modell ist so variabel, dass ganze Verlust-Kennfelder in Abhängigkeit von Ventilpositionen, Füllzuständen, Gegen- und Umgebungsdrücken schnell und flexibel analysiert werden können. Es ist somit beispielsweise möglich, unterschiedliche Ventile virtuell zu evaluieren und zu bewerten. Schwachpunkte mit großen Strömungsverlusten werden sichtbar, deren Auswirkungen auf die Kompressorleistung direkt durch das Zusammenspiel von CFD-Modell und Berechnungswerkzeug beurteilt werden können. Die Bilder 1 und 2 zeigen exemplarisch zwei dreidimensionale CFD-Modelle zur Analyse der Strömungsvorgänge im Kolben und um ein Auslassventil.
In Sonderfällen werden in Kompressoren auch zwei- oder mehrphasige Fluide verwendet. Hierbei geht es zum Beispiel um den pneumatischen Transport von Feststoffen. Diese Fälle können durch klassische Methoden nur sehr eingeschränkt beschrieben werden. Viele Auslegungen beruhen auf Erfahrungswerten und Trial-and-error-Versuchen. Die beschriebene Methode und die CFD-Modelle lassen sich auch auf den zweiphasigen Anwendungsfall erweitern, wodurch die Analyse und Auslegung von pneumatischen Förderern ebenfalls möglich wird. Damit können zukünftig weitere Anwendungsfälle erschlossen werden.

Heftausgabe: August 2011

Über den Autor

Dirk Ortlieb, Dr.-Ing. Volker Cassera, CFD Consultants
Loader-Icon