Thermo- und fluiddynamische Untersuchungen zur Innenkühlung von Kolbenstangen

Die Kolbenstangeninnenkühlung (KSIK) ist eine Kühltechnologie für Kreuzkopfverdichter, die in verschiedenen Experimenten gezeigt hat, dass sie ein beträchtliches Potenzial zur Wärmeabfuhr aus den thermisch beanspruchten Komponenten im Zylinder- und Packungsbereich besitzt. Dass sie in der Praxis noch nicht zum Einsatz kommt, liegt unter anderem daran, dass ihre Wirkungsweise und insbesondere die thermo- und fluiddynamischen Vorgänge des zweiphasigen Kühlfluids im Stangeninneren nicht ausreichend erforscht sind, um die Wärmeabfuhr für verschiedene Verdichter und Förderaufgaben zu quantifizieren. Die vorliegende Arbeit hat daher zum Ziel, einen Teil dieser Wissenslücke für Kreuzkopfverdichter mit vertikaler Ausrichtung der Kolbenstange zu schließen. Um die relevante Wissensbasis zu Kreuzkopfverdichtern zu vermitteln, werden einleitend ihr Aufbau, ihre Funktionsweise und die Thematik ihrer Kühlung behandelt. Dabei wird unter anderem gezeigt, wie sich die Wärmeabfuhr auf die Energieeffizienz und die auftretenden Maximaltemperaturen auswirkt und welche Wärmemengen durch Reibung an den Dichtungselementen entstehen. Anhand einer exemplarischen Betrachtung von Verdichtern unterschiedlicher Druckniveaus und Förderströme wird deutlich, dass die KSIK vor allem bei niedrigen Drücken und für die Abfuhr der Reibleistungen effektiv eingesetzt werden kann. Die Größe bzw. Leistungsklasse erweist sich dabei nicht als limitierender Faktor. Anschließend erfolgt die Darstellung konventioneller Kühlverfahren sowie die ausführliche Vorstellung der KSIK mit den Themenschwerpunkten: Funktionsweise, Einflussgrößen, Stand der Technik und Einsatzgrenzen. Um die Wärmeabfuhr zu quantifizieren, die mit einer innengekühlten Kolbenstange eines stehenden Kreuzkopfverdichters erreicht wird, werden Messungen an einem Versuchsstand mit einer vertikal-oszillierenden Hohlstange vorgestellt. Insbesondere die Wahl des Kühlfluids sowie der eingefüllte Flüssigvolumenanteil beeinflussen den Wärmetransport, sind aber für den Fall der KSIK bislang nicht untersucht worden. Daher erfolgt zunächst eine Vorauswahl der vier bestgeeigneten Fluide anhand ihrer thermodynamischen Eignung für das Einsatzgebiet der Kreuzkopfverdichter. Bei den Messungen zeigt sich Wasser, insbesondere als Reinstoff-Füllung, aber auch als Gemisch mit Luft, als deutlich bestes Kühlfluid. Mit einer Dampf-Wasser-Füllung kann erwartungsgemäß eine bessere Wärmeabfuhr erzielt werden als mit einer Luft-Wasser-Füllung. Hinsichtlich des optimalen Flüssigvolumenanteils zeigte sich in den Messergebnissen mit Dampf-Wasser-Füllung eine optimale Wärmeabfuhr im Bereich zwischen 30 Vol.-%fl und 70 Vol.-%fl. In dieser relativ großen Spanne treten lediglich geringe Unterschiede hinsichtlich des Wärmetransports auf. Für die untersuchte Versuchsstandkonfiguration und im untersuchen Drehzahlbereich (300 min−1 bis 600 min−1) liegen die zugehörigen axialen Wärmestromdichten zwischen ca. 40 W cm−2 und 80 W cm−2 und die Wärmewiderstände zwischen ca. 0,27 K W−1 und 0,37 K W−1. Für eine Luft-Wasser-Füllung stellt sich ein etwas ausgeprägteres Optimum der Wärmeabfuhr bei 25 Vol.-%fl ein, für das sich axiale Wärmestromdichten zwischen ca. 33 W cm−2 und 38 W cm−2 und Wärmewiderstände zwischen ca. 0,7 K W−1 und 1,3 K W−1 ergeben. Da der fluidgebundene Wärmetransport im Innenvolumen der KSIK maßgeblich von der Strömung des zweiphasigen Kühlfluids abhängig ist, schließen sich an die Analyse der Wärmeabfuhr optische Messungen des Strömungsverhaltens einer Dampf-Wasser- sowie einer Luft-Wasser-Füllung mittels Hochgeschwindigkeitskamera an. Hierfür wurde eine optisch zugängliche Hohlstange mit nahezu gleichen Abmessungen, gleicher oszillierender Bewegung, aber ohne Wärmezu- und -abfuhr an den Stangenenden verwendet. Den Aufnahmen der Luft-Wasser-Füllungen ist zu entnehmen, dass sich die Strömung für alle untersuchten Drehzahlen und Flüssigvolumenanteile durch eine gemeinsame Struktur auszeichnet. Hierbei tritt die flüssige Phase stets in zwei hauptsächlichen Erscheinungsformen auf: Zum einen ein Teil am unteren Stangenende, der in der vorliegenden Arbeit als Sumpf bezeichnet wird. Und zum anderen ein zweiter Teil, der durch die oszillierende Stangenbewegung den Sumpf verlässt und sich als Wandfilm im Innenvolumen zunächst nach oben bewegt und nach Erreichen einer maximalen Höhe wieder nach unten zurückfließt. Dieser Teil erhält daher die Bezeichnung Film. Die Bewegung der Luft im Stangeninneren ergibt sich im Wesentlichen durch die Verdrängung der Flüssigkeit. Die Strömung von Sumpf und Film kann auf der Basis vereinfachender geometrischer Annahmen mithilfe von drei zeitabhängigen, charakteristischen Strömungsparametern beschrieben werden: Der Sumpfhöhe, der Filmhöhe sowie der Filmdicke. Diese wurden für verschiedene Füllmengen zwischen 10 Vol.-%fl und 40 Vol.-%fl und im Drehzahlbereich zwischen 300 min−1 und 600 min−1 quantifiziert. Es zeigt sich, dass das Wärmetransportverhalten und die Strömung einer Luft-Wasser-Füllung eng gekoppelt sind und sich die Ergebnisse der optischen Untersuchung bei der Interpretation des thermodynamischen Verhaltens als hilfreich erweisen. Beispielsweise offenbaren sie die Gründe für den optimalen Flüssigvolumenanteil von 25 Vol.-%fl. Darüber hinaus wurde auch die Strömung verschiedener Dampf-Wasser-Füllungen untersucht, die in einigen wesentlichen Aspekten von den Ergebnissen mit Luft-Wasser-Füllung abweicht. Der wichtigste Unterschied zeigt sich in der Möglichkeit des Phasenwechsels zwischen flüssiger und gasförmiger Phase und vice versa, was bei einem Luft-Wasser-Gemisch in keiner Messung festgestellt werden konnte. Neben einer mutmaßlichen Verbesserung der Wärmeübergangskoeffizienten resultiert hieraus auch eine bessere Durchströmung des Innenvolumens sowie eine bessere Durchmischung der gasförmigen und flüssigen Phase, sodass nachvollziehbar wird, warum ein Dampf-Wasser-Gemisch eine bessere Wärmeabfuhr ermöglicht als mit Luft als zusätzlicher Komponente. Um die Berechnung der Strömung von Luft-Wasser-Füllungen in einer vertikal-oszillierenden Hohlstange für beliebige Konfigurationen zu ermöglichen, wurde ein Strömungsmodell entwickelt, mit dem die zeitlich abhängige Verteilung der flüssigen und gasförmigen Phase berechnet werden kann. Dabei sind u. a. die Drehzahl, der Flüssigvolumenanteil sowie der Innendurchmesser und die Länge der Hohlstange frei wählbar. Zur Beschreibung der Verteilung der flüssigen Phase wird die in den optischen Untersuchungen festgestellte Aufteilung in Sumpf- und Filmanteile für das Berechnungsmodell übernommen. Die Grundlage für die Berechnung der Strömung mittels Zeitschrittverfahrens stellt die Bewegungsgleichung für die Flüssigkeit in vertikaler Richtung unter Berücksichtigung verschiedener Beschleunigungsanteile dar, die die Filmbewegung hervorrufen. Die restlichen charakteristischen Strömungsparameter ergeben sich durch die Inkompressibilität der flüssigen Phase und durch die empirische Vorgabe der Filmdicke, sodass dadurch auch die zeitlich abhängige Verteilung des Sumpfs und der gasförmigen Phase ermittelt werden kann. Der Vergleich der Berechnungs- und Messergebnisse für die charakteristischen Strömungsparameter zeigt eine in den meisten Fällen zufriedenstellende Übereinstimmung und bestätigt die Herangehensweise und das Berechnungskonzept des Strömungsmodells.:1 Einleitung 2 Grundlagen der Kreuzkopfverdichter 3 Experimentelle Untersuchungen der Wärmeabfuhr 4 Experimentelle Untersuchungen der Strömung 5 Berechnungsmodell für die Strömung mit Luft-Wasser-Füllung 6 Zusammenfassung A Anhan