Thermomechanische Effekte in Hochtemperaturkreiselpumpen

Thermomechanische Effekte in Hochtemperaturkreiselpumpen

In der Wärmeübertragungstechnik sind Hochtemperaturkreiselpumpen überall dort von Bedeutung, wo die direkte Prozesserwärmung, wie beispielsweise mittels einer Brennkammer, nicht möglich ist oder vermieden werden soll. Das vor dem Hintergrund der sich derzeit wandelnden europäischen  Energiepolitik wohl populärste Anwendungsbeispiel stellen solarthermische Kraftwerke dar. In ihnen dienen Hochtemperaturkreiselpumpen zur Umwälzung von bis zu 400 °C (560 °C) heißen Wärmeträgerölen (Salzschmelzen). Bei diesen Temperaturen werden hohe thermische und strukturmechanische Belastungen in den Hochtemperaturkreiselpumpen induziert.

Im Rahmen des Projekts Kompetenzzentrum für Hydraulische Strömungsmaschinen der Ruhr-Universität Bochum beschäftigt sich derLehrstuhl für Thermodynamik mit dieser Beanspruchungsproblematik. Hierbei konzentrieren sich die Forschungsarbeiten auf die Untersuchung des Ausmaßes und des Zusammenspiels der thermischen und strukturmechanischen Belastungskomponenten, mit dem Ziel die Lebensdauer und Verfügbarkeit von Hochtemperaturkreiselpumpen zu optimieren.

Thermomechanische Finite-Elemente-Analysen

Thermomechanische, numerische Simulationen koppeln die Berechnung des Temperaturfeldes mit der Berechnung der Strukturmechanik. Sie ermöglichen die statische und transiente Analyse der im untersuchten Bauteile  vorherrschenden Temperatur-, Spannungs- und Verformungsverteilungen. In dem vorliegenden Projekt des Lehrstuhls für Thermodynamik erfolgt die Einordnung kritischer Pumpenkomponenten mit Hilfe von thermomechanisch gekoppelten Simulationen auf Basis von Finite-Elemente-Methoden. Ausgehend von den simulierten Problemstellen werden Optimierungsansätze gesucht und prioritäre Beobachtungszonen für den Hochtemperaturprüfstand gewählt.

Temperaturverteilung am Hydraulikteil einer Hochtemperaturkreiselpumpe

Aufbau eines Hochtemperaturprüfstandes

Der Hochtemperaturprüfstand des Lehrstuhls für Thermodynamik ist eine Wärmeträgerumlaufapparatur. Er ist auf die Förderung von bis zu 400 °C heißen Wärmeträgerölen ausgelegt und wird mit variierenden Pumpentypen betrieben. Der Hochtemperaturprüfstand dient der experimentellen Validierung der numerischen Simulationsergebnisse. Darüber hinaus werden ausgehend von den Ergebnissen und Erfahrungen derPrüfstandsversuchedie Pumpenüberwachung und Fehlerdiagnostik optimiert.