Optimierung der Lebenszykluskosten bei Scrollpumpen

 

Realisierung eines Temperaturmanagements

Trockenlaufende Scrollpumpen sind prädestiniert für Prozesse, die ölfreie Pumpvorgänge verlangen, und dort ein adäquater Ersatz für die verbreiteten Drehschieberpumpen, denen sie im Saugvermögen nicht nachstehen. Die dafür erforderliche Trockendichtung ist jedoch fortschreitendem Verschleiß ausgesetzt, für den vor allem die Temperaturverhältnisse in der Pumpe eine große Rolle spielen. Durch um 15 % reduzierte Betriebstemperaturen werden die Wartungsintervalle verlängert und höhere Leistungen bei höheren
Ansaugdrücken erzielt. Zugleich erhöht eine Redundanz der gemessenen Betriebsparameter die Betriebssicherheit.

Um die Temperaturen zu optimieren, wurde mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) das Temperaturfeld in der Pumpe für drei Betriebszustände und unterschiedliche Konstruk­tions­varianten berechnet. So konnten Stellen mit dem höchsten thermisch bedingten Verschleiß ausgemacht werden. Dadurch wurde eine intelligente Lüfter-Steuerung basierend auf den Temperaturmesswerten eines Sensors in Verbindung mit der Leistungsaufnahme des Motors erarbeitet.

Abbildung eines thermischen Gesamtsystems einer Scrollpumpe

Die Neuentwicklung einer Scrollpumpe bietet die Möglichkeit, numerische Simulationstechniken einzusetzen, um die Temperaturverteilung innerhalb der gesamten Pumpe vorherzusagen und zu optimieren. Dadurch können auch Temperaturen an unzugänglichen Stellen bestimmt und Hotspots erkannt werden. Im Zuge der Produktentwicklung wird mit der Finite-Elemente- Methode (FEM) das Temperaturfeld in den Bauteilen der Pumpe für drei Betriebszustände und für unterschiedliche Konstruktionsvarianten berechnet.

Das Problem bei der Abbildung eines thermischen Gesamtsystems ist, dass nicht alle physikalischen Phänomene vollständig gelöst und somit nicht alle Randbedingungen bekannt sind. Hierzu gehören:

  • Wärmeleitung im bewegten Fluid innerhalb der Kammervolumen
  • Wärmeleitung durch die rotierenden Lager in denen auch Schmiermittel umgewälzt wird
  • Wärmeübergangskoeffizient infolge erzwungener Konvektion an den Außenflächen des Gehäuses, Stichwort Prallströmung und Umlenkung durch Haube


Abbildung 1: Mittelwert des Abriebs zweier Kunststoffe in Abhängigkeit der Temperatur, Messungen Pfeiffer Vacuum.

Um die unbekannten Parameter zu bestimmen, werden diese mit einem ingenieurmäßigen Vorgehen an Temperaturmesswerte eines realen Prototypens angepasst. In Abbildung 1 ist dieser Anpassungsprozess dargestellt. Zunächst werden die unsicheren Parameter basierend auf Erfahrungswerten angenommen, das FEM-Modell durchgerechnet und dann mit den zur Verfügung stehenden Messpunkten verglichen. Danach werden die Parameter angepasst und erneut durchgerechnet, bis die Überein­stimmung zwischen Messung und Simulation zufriedenstellend ist. In der Praxis hat sich eine Übereinstimmung der Mess- und Simulationswerte von > 94 % bewährt. Dieser Prozess wird für drei unterschiedliche Betriebszustände durchgeführt. Erst wenn bei allen Zuständen die Abweichung zwischen Messung und Berechnung gering ist, kann die Bestimmung der Parameter als sinnvoll erachtet werden. Mit dem numerischen Modell und den gefundenen Randbedingungen ist es dann möglich, weitere Konstruktionsvarianten zu vergleichen und zu bewerten.

Dies ist nur ein Auszug.
Den vollständigen Anwendungsbericht können Sie als PDF-Datei herunterladen.

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