Beitrag zur Energiewandlung in Mehrphasenpumpen mit externer Prozessfluidzufuhr

Für die effiziente Förderung von Gas-Flüssigkeitsgemischen werden Schraubenspindelpumpen als Mehrphasenpumpen eingesetzt. Sie fördern mehrphasige Gemische mit volumetrischen Gasanteilen bis 95 % und kurzzeitig 100 %. Während der Förderung wird das Fluid in Kammern eingeschlossen und durch die Drehbewegung der Spindeln von der Saugseite zur Druckseite transportiert. Die einzelnen Kammern sind durch Spalte miteinander verbunden, in denen ein Verlustvolumenstrom vorliegt. Im Falle sehr hoher Gasgehalte dichtet die verbleibende Flüssigkeit die Spalte nicht mehr hinreichend genug ab und die Förderleistung bricht ein. Zusätzlich nimmt die thermische Belastung erheblich zu. Durch eine externe Prozessfluidzufuhr bleibt die Förderleistung stabil und die thermische Belastung wird reduziert. In einer Versuchsanlage im Technikumsmaßstab wird die Energiewandlung mit und ohne Prozessfluidzufuhr für eine Spindel mit konstanter Steigung und eine Spindel mit degressiver Steigung (abnehmendes Kammervolumen) analysiert. Als Parameter werden Drehzahl, Differenzdruck, Gasgehalt und die Position der Fluidzufuhr (Saugseite/Druckseite/keine Fluidzufuhr) variiert. Für beide Spindeln wird insbesondere für niedrige Drehzahlen und Gasgehalte > 0,9 die Förderleistung erheblich durch die Prozessfluidzufuhr erhöht. Die Erhöhung der Temperatur wird durch beide Prozessfluidzufuhren aufgrund der zusätzlichen Flüssigkeit um bis zu 60 % reduziert. Die Spindel mit degressiver Steigung benötigt bis zu 20 % weniger Wellenleistung als die Spindel mit konstanter Steigung. Die druckseitige Prozessfluidzufuhr reduziert die notwendige Wellenleistung der Spindel mit degressiver Steigung im Vergleich zur Referenzmessung nochmals um 2,2 %. Es wird ein Modell zur Berechnung der Dissipation entwickelt. Die Mehrphasenpumpe wird durch ein Rührermodell mit Taylorwirbeln abstrahiert. Das Modell unterschätzt die eigenen experimentellen Daten mit einer Genauigkeit von 15 % und die Literatur um 6 %.