Optimierung von Laufrädern für Abwasserpumpen

Die Laufräder von Kreiselpumpen zur Abwasserförderung unterscheiden sich in ihrer Bauform deutlich von denen der Klarwasserpumpen. Grund hierfür ist, dass Abwasser in der Regel große Mengen an Festkörpern und textilen oder biologischen Fasern enthält. So muss bei der Entwicklung von Abwasserpumpen neben der hydraulischen Leistung auch auf die speziellen Anforderungen bezüglich der Feststoffförderung geachtet werden. Die Herausforderung hierbei ist, einen möglichst hohen hydraulischen Wirkungsgrad zu erzielen und gleichzeitig einen störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. Um eine gute Feststoffförderung zu gewährleisten, werden solche Laufräder meist nur mit ein bis drei Schaufeln ausgeführt. Außerdem wird die Austrittsbreite des Laufrades oftmals zwei bis drei Mal so groß wie bei den Klarwasserpumpen gewählt. Dadurch ergeben sich Strömungskanäle mit großen Querschnitten, durch die die Feststoffe hindurchgefördert werden können. Durch die geringe Schaufelzahl und die große Laufradbreite wird die Strömung durch das Laufrad nicht so gut geführt, wie dies bei einer Klarwasserpumpe der Fall wäre. Dadurch gewinnen dreidimensionale und instationäre Effekte an Bedeutung.

Der Forschungsbereich B5 beschäftigt sich, in Zusammenarbeit mit der Industrie, mit der hydraulischen Optimierung von Laufrädern für Abwasserpumpen. Dies umfasst neben der Effizienzsteigerung auch grundlegende Untersuchungen der für diese Laufräder typischen Strömungsmuster. Bei der Optimierung kommen sowohl hausinterne Auslegungs- und Designtools als auch kommerzielle Software zur numerischen Strömungssimulation (RANS, URANS) zum Einsatz.

Stromlinien in einer Abwasserpumpe

Typisches Strömungsmuster in einer Abwasserpumpe (CFD-Simulation)

 

Berechnung von Rollenbeschichtungsanlagen

Rollenbeschichtungssysteme sind heute weit verbreitet um Papier und Folien zu beschichten. Die Anwendungsbereiche reichen dabei von druckbaren Solarzellen über Verbundwerkstoffe bis zu selbsthaftenden Etiketten. Industriell genutzte Mehrrollensysteme (Skizze siehe Abbildung 1) haben dabei zwischen 3 und 8 Rollen und werden mit gleichläufig oder gegenläufig drehenden Rollen betrieben.

 

Typischer Aufbau eines Mehrrollensystems

 

Hauptvorteil  ist die vergleichsweise einfache Technologie und die Möglichkeit auch mit hochviskosen (bis einige Pas) Fluiden dünne Schichten (einige µm) zu erreichen. Auf der anderen Seite handelt es sich beim Rollenbeschichten im Gegensatz zu mit einer Pumpe vordosierten Beschichtungsverfahren, wie Vorhangbeschichten oder Schlitzgießen um ein selbstdosierendes Verfahren. Dies bedeutet, dass die sich einstellende Filmdicke nach der Filmteilung von zahlreichen Parametern, z.B. der Geometrie oder die Geschwindigkeiten abhängen.

In der derzeitigen Forschungsarbeit im Bereich 5 beschäftigen wir uns mit der analytische Berechnung von Mehrrollensystemen um den Nachteil gegenüber den vordosierten Verfahren zu überwinden und eine Vorhersage der finalen Schichtdicke zu ermöglichen. Diese Berechnungen sollen die zeitaufwendigen Experimente bei Verwendung des Verfahrens z.B. für ein neues Fluid, zu reduzieren helfen.

Daneben beschäftigen wir uns auch mit der numerischen Simulation von Rollenbeschichtungsverfahren um u.a. Druckprofile bestimmen zu können die mit Hilfe der quasi 1D Berechnung nicht möglich sind.

 

Typisches Strömungsmuster im Spalt zwischen zwei Rollen (CFD-Simulation)