Im Rahmen eines zweijährigen KTI-Projekt wurde der Prozess eines Flüssigabfüllungssystems untersucht und optimiert, um die Produktivität zu steigern. Ein wichtiger Teilaspekt war die simulationstechnische sowie experimentelle Charakterisierung einer Kolbenpumpe hinsichtlich Kavitation. Ein Forschungsbericht.

Autoren: Lorenz Brenner, David Denzler, Martin Schneider, Frank Tillenkamp

Bei diesem KTI-Projekt haben das Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) an der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW School of Engineering) und die Firma Bosch Packaging Systems AG zusammengearbeitet. Bosch Packaging Systems AG gilt als ein weltweiter Anbieter von Erst- und Zweitverpackungslösungen für den Verpackungsstil Stickpack und Flachbeutel (Sachet).

In diesem Berich wird versucht, bei den Abfüllanlagen immer höhere Geschwindigkeit zu erreichen. Bei der Flüssigabfüllung ist die Geschwindigkeit unter anderem durch die Kapazität der Förderpumpe gegeben. Beim Betrieb mit zu hohen Taktzahlen tritt jedoch das Phänomen der Kavitation auf: Beim Ansaugvorgang wird ein Unterdruck, tiefer als der Sättigungsdampfdruck der transportierten Flüssigkeit, im Zylinderraum erzeugt. Gründe dafür sind Trägheits- und Reibungseffekte sowie die Stoffeigenschaften des Fluids. Als Folge verdampft das Medium und Dampfbläschen bilden sich. Normalisiert sich der Druck beim Ausstossvorgang wieder, implodieren diese und es entstehen lokal extreme Druckstösse.

Bei einer Dauerbelastung in Wandnähe führt dies zu mechanischen Schäden an der Pumpe, was harte Kavitation oder Dampfschlag genannt wird. Unter Verwendung von technischen Hilfsmitteln, wie numerischer Strömungssimulationen (CFD = Computational Fluid Dynamics) und einem prozessnahen Versuchsaufbau, wurde eine strömungstechnische Optimierung der Kolbenpumpe erreicht und die Kavitation massgeblich reduziert. Demzufolge wurde eine Produktivitätssteigerung der Flüssigabfüllanlage erzielt.

Prüfstände gewähren Einblick in physikalische Vorgänge

Um das Phänomen der Kavitation grundlegend zu untersuchen, wurde ein vereinfachter Prüfstand (siehe Abbildung 1) mit Wasser als Arbeitsmedium realisiert. Das Wasser tritt von links in den Kanal ein, welcher sich verengt und dann sprungartig wieder erweitert wird. Dadurch entsteht an dieser Stelle ein Unterdruck, welcher ab einem gewissen Massenstrom so gross wird, dass Kavitation auftritt. Um die Dampfbläschen sichtbar zu machen, wurde der Versuchsaufbau mit seitlichen Plexiglasscheiben ausgestattet. Hochsensible Drucksensoren und High-Speed-Kameraaufnahmen dienten der Charakterisierung des Phänomens.

In enger Zusammenarbeit mit dem Industriepartner wurde der Hauptprüfstand (siehe Abbildung 2) erarbeitet, welcher die gleichen Funktionen wie ein einzelner Strang der Abfüllanlage übernimmt. Er besteht hauptsächlich aus einem Einfülltank, Rohrleitungen und einer Kolbenpumpe mit Drehschieber, welcher die Zu- und Abfuhr reguliert.

Die Siegeltechnologie und die Verpackungseinheit wurde für die Forschung am Abfüllprozess nicht integriert. Als Arbeitsmedien kamen wahlweise Wasser oder dickflüssigere Substanzen (z.B. Senf) zum Einsatz. Wie beim Kavitationsprüfstand wurden hochauflösende Sensoren integriert, um wichtige Daten über das Strömungsverhalten aufzuzeichnen.

Die Ergebnisse aus den beiden Prüfständen gewährten Einblick in die verschiedenen Vorgänge und Phänomene bei den hohen Abfüllgeschwindigkeiten. Die Daten dienten zudem zum Vergleich und zur Validierung der folgenden CFD-Simulationen.

Strömungstechnische Untersuchung mittels CFD-Simulationen

Kavitationsmodell

Mehrphasenströmungen, das heisst Strömungen mit zwei oder mehreren Fluiden mit unterschiedlichen Aggregatszuständen, sowie Phasenübergänge, sind simulationstechnisch meist schwierig zu charakterisieren und nur mit gewissen Vereinfachungen möglich. Je nach Strömungsart und Verhalten der verschiedenen Phasen zueinander, kommen angepasste Modelle zum Einsatz. In diesem Fall wurde die Strömung mit Kavitation durch das sogenannte Raighley-Plesset-Modell abgebildet.

Dieses beschreibt das Verhalten von Gas- oder Dampfblasen in einer Flüssigkeit sowie die Verdampfung und Kondensation mit Hilfe des Sättigungsdruckes. Für die Kalibrierung des Modells und um die Simulationen zu validieren wurden die Resultate mit High-Speed-Kameraaufnahmen am Kavitationsprüfstand verglichen. Die Kameraaufnahmen wurden über einen bestimmten Zeitraum im Bereich der Kanalverengung gemittelt und eingefärbt (siehe Abbildung 3, oben).

Parallel dazu ist der berechnete Volumenanteil der Gasphase aus der CFD-Simulation (siehe Abbildung 3, unten) ersichtlich. Rote Stellen zeigen Bereiche mit hohem Dampfanteil, wobei blaue Stellen kavitationsfrei sind. Die Strömungsberechnung zeigt qualitativ eine gute Übereinstimmung. Auch quantitativ weisen die berechneten Drücke eine Abweichung von weniger als 13 % im Vergleich zu den Messungen auf.

Untersuchung und Optimierung der Kolbenpumpe

Nach erfolgreicher Validierung des Kavitations-Modells wurde die bestehende Geometrie der Kolbenpumpe mit Wasser als Arbeitsmedium simuliert und am Hauptprüfstand ausgemessen. Abbildung 4 zeigt den Druckverlauf im Zylinderraum der Pumpe beim Ansaugvorgang sowie den Hub des Kolbens. Bei einer Taktzahl (Anzahl Zylinderhübe pro Minute) von 125 beträgt der Unterdruck ca. 30'000 Pa, das heisst der ganze Arbeitsvorgang ist kavitationsfrei.

Im Gegenzug wird bei einer Taktzahl von 200 der Sättigungsdampfdruck (ca. 3160 Pa Absolutdruck bei 25 °C) erreicht und Kavitation tritt auf. Die Druckspitzen von über 500'000 Pa bei einer normalisierten Zeit von 0.8 – 1 sind ein Indiz für Dampfschlag beziehungsweise die Implosion der Gasblasen. Es zeigte sich anhand der Simulationen und den Messungen, dass erste Kavitationseffekte ab einer Taktzahl von 140 auftreten.

In diesem Fall ist der grosse Vorteil der CFD-Analysen im Vergleich zu den experimentellen Untersuchungen, dass nicht nur Kavitation, sondern auch die Stellen mit auftretender Blasenbildung detektiert werden können. Zudem ist ein erweiterter Einblick in das Strömungsverhalten im Pumpeninnenraum möglich. Abbildung 5 (links) zeigt Regionen mit einem erhöhten Dampfanteil während des Ansaugvorgangs. Der Grund für den Phasenwechsel an dieser Stelle liefert die Geschwindigkeitsverteilung im Schnitt durch die Kolbenpumpe (siehe Abbildung 5, rechts): Durch die erhöhte Geschwindigkeit beim Einströmen in den Zylinder tritt eine Strömungsablösung auf (siehe Abbildung 5, Markierung rechts), was in einem starken Unterdruck resultiert.

An diesem Übergang verdampft das Wasser und wird weiter in den Zylinderraum hineingezogen. Beim Ausstossvorgang wird das Druckniveau wieder erhöht, die Dampfblasen implodieren und Dampfschläge treten auf. Um Letztere zu verhindern, mussten folglich solche Unterdruckzonen mit geometrischen Anpassungen reduziert werden.

Durch die gewonnenen Erkenntnisse der Simulationen und den Messungen am Prüfstand wurde eine zielgerichtete Parameterstudie durchgeführt. Das Verfahren der statistischen Versuchsplanung, das sogenannte Design of Experiment (DoE), diente als effektives Hilfsmittel um die wichtigsten geometrischen Einflussgrössen (Zylinderdurchmesser, usw.) zu bestimmen und dementsprechend zu optimieren. Schlussendlich resultierte eine überarbeitete Geometrie der Pumpe, welche einen kavitationsfreien Betrieb bis zu einer Taktzahl von 170 zulässt.

Fazit

Die CFD-Simulationen waren sehr aufschlussreich für das Verhalten der Strömung im ganzen System und vor allem in der Kolbenpumpe selbst. Anhand vorgenommenen geometrischen Optimierungen konnte die Pumpe hinsichtlich Kavitation optimiert werden. Durch die Steigerung der Taktzahl mit kavitationsfreiem Betrieb um 22 % konnte die Produktivität der Abfüllanlage massgeblich gesteigert werden.