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Projekt
Programmpaket zum inversen Entwurf von Rotationsverdrängern mit Flüssigkeitseinspritzung
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Andreas Brümmer
Fachliche Zuordnung
Strömungs- und Kolbenmaschinen
Förderung
Förderung seit 2023
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 526153353
Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines Programmpaketes zum inversen Entwurf von Rotationsverdrängermaschinen (RPDM) (z.B. Schraubenmaschinen, Drehschiebermaschinen) mit Flüssigkeitseinspritzung auf der Basis einer Kammermodellsimulation, die den Teilnehmern des Schwerpunktprogramms zur Modellierung von Fluidenergiemaschinen innerhalb thermodynamischer Kreisläufe (Verdichter oder Expander) zur Verfügung gestellt wird. Eingangsparameter für den inversen Entwurf sind die Anforderungen aus dem gewählten Prozess, also das gewählte Arbeitsfluid sowie die frei wählbaren Betriebs- und Zustandsgrößen am Einlassstutzen, Auslassstutzen und der Einspritzdüse der RPDM (z.B. Massenströme, Drücke, Temperaturen, Dampfqualitäten). Die invers zu bestimmenden Auslegungsparameter sind die Maschinengeometrie und ggf. die Drehzahl. Innerhalb des Programmpakets werden die Auslegungsparameter im Hinblick auf die energetische Effizienz der RPDM optimiert. Die Optimierung der Maschinengeometrie beschränkt sich dabei nicht nur auf die Maschinengröße, sondern umfasst insbesondere spezifische dimensionslose geometrische Parameter der RPDM (z.B. inneres Volumenverhältnis, Umschlingungswinkel, Durchmesser-Längen-Verhältnis) unter besonderer Berücksichtigung der Fluidabhängigkeit. Entscheidende Faktoren im Entwurf der RPDM sind dabei die korrekte Erfassung der fluidabhängigen Effekte, wie beispielsweise die zweiphasigen Spaltmassenströme, die Wärmeübergänge infolge einer Verdampfung oder Kondensation sowie die Drosseleffekte in den Ein- und Auslassstutzen der Maschine. Der inverse Entwurf ist entsprechend mit verschiedenen wissenschaftlichen Herausforderungen verbunden. Zum einen erfordert er eine automatisierte Kammermodellerstellung für die RPDM. Dazu ist eine Abstraktion der Maschinengeometrie in Kapazitäten (z.B. Volumina, Maschinenteile) und deren Verbindungen zum Austausch von Masse und/oder Energie erforderlich. Weiterhin werden valide Modelle für den Austausch von Masse und Energie zwischen den Kapazitäten benötigt (z.B. Mehrphasenströmungen durch Spalte oder Ventile/Öffnungen, Phasenwechsel- und Wärmeübergangsmodelle). Ein Schwerpunkt des Projekts wird dabei die Entwicklung valider Modelle für die Auswirkungen einer in die Arbeitskammern der RPDM eingespritzten Flüssigkeit sein (Massenstrom des Arbeitsfluids oder eines Hilfsfluids, z.B. Öl). Fragen zur zeitlichen Entwicklung des Flüssigkeitsstrahls, der zeitabhängigen Verteilung der Flüssigkeit in den rotierenden Arbeitskammern und zum Stoff- und Wärmeübergang zwischen der Gas- und Flüssigkeitsphase werden aufgegriffen und an einem generischen Prüfstand experimentell und begleitend numerisch untersucht. Im Hinblick auf die Carnot-Batterie erscheint dabei insbesondere die Möglichkeit vorteilhaft, die Austrittstemperatur der RPDM durch Einspritzen einer flüssigen Phase - unter Beibehaltung eines optimalen Druckverhältnisses für die RPDM - an eine für den Prozess erforderliche Temperatur anzupassen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
