Im Kooperationsprojekt zwischen der RWTH Aachen University und der TU Kaiserslautern mit dem Titel „Dispergier- und Koaleszierphänomene in Zentrifugalpumpen“ (DisKoPump) wurde die Dispergierwirkung von Zentrifugalpumpen experimentell und modellbasiert in Abhängigkeit der Stoffsystem-, Geometrie- und Betriebsparameter untersucht. Es wurde ein geeigneter Versuchsstand aufgebaut um die lokale und integrale Fluiddynamik sowie der integrale Stofftransport in Zentrifugalpumpen zu untersuchen. Bei der experimentellen Untersuchung wurden die Einflussgrößen: Laufraddurchmesser, Drehzahl, Volumenströme, Dispersphasenanteil, Dispergierrichtung und Stoffsystem systematisch variiert. Die Dispergierwirkung wurden anhand der resultierenden Sauterdurchmesser und Tropfengrößenverteilungen am Auslassstutzen der Pumpe charakterisiert.
Die experimentellen Untersuchungen zu lokalen Fluiddynamik zeigen, dass der Tropfenaufbruch vor allem an der Vorderkante des Laufrads stattfindet. Die experimentellen Untersuchungen zur integralen Fluiddynamik zeigen, dass der Sauterdurchmesser mit zunehmendem Volumenstrom, Drehzahl und Laufraddurchmesser sowie mit abnehmendem Dispersphasenanteil und Viskosität der dispersen Phase abnimmt. Hinsichtlich der Tropfengrößenverteilung zeigen die experimentellen Untersuchungen eine Log-Normal-Verteilung im untersuchten Bereich. Die Untersuchungen zum Stofftransport zeigen, dass die Zentrifugalpumpe als Extraktor für Flüssig-flüssig-Stoffysteme eingesetzt werden kann.
Es wurden zwei Modellierungsansätze für die Ermittlung des Sauterdurchmessers einer in der Zentrifugalpumpe generierten Flüssig-flüssig-Dispersion in Abhängigkeit der Einflussgrößen entwickelt. Ein Ansatz basiert auf einer Weber-Zahl-Korrelation, der zweite auf der mittleren Energiedissipationsrate. Des Weiteren wurde eine Korrelation entwickelt, mit welcher es möglich ist, die Tropfengrößenverteilung auf Basis des Sauterdurchmessers vorherzusagen. Die entwickelte Korrelation wurde erfolgreich mit Literaturdaten validiert. Dabei wurde die Übertragbarkeit dieser Korrelation auf andere Stoffsysteme, Zentrifugalpumpengeometrien und Betriebsbedingungen gezeigt.
Mit den entwickelten Methoden kann die Dispergierwirkung von Zentrifugalpumpen anhand des Sauterdurchmessers quantifiziert werden. Mit dem bekannten Sauterdurchmesser ist eine Vorhersage der Tropfengrößenverteilung und somit der Dispergierwirkung für einen definierten Betriebspunkt einer Zentrifugalpumpe möglich.
In der Industrie sind 60% der eingesetzten Pumpen Zentrifugalpumpen. Diese werden in vielen Anwendungen zur Förderung von Flüssig-flüssig Stoffsystemen eingesetzt. Über ihre Fördereigenschaft hinaus können Zentrifugalpumpen auf Flüssig-flüssig-Stoffsysteme dispergierend wirken. Die systematische wissenschaftliche Untersuchung zur Dispergierwirkung von Zentrifugalpumpen ist im Rahmen des Forschungsprojekt DisKoPump erfolgt. Durch näheres Verständnis, unter welchen Betriebsbedingungen und Geometrieeigenschaften Pumpen, in Abhängigkeit von Stoffsystemparametern, auf ein Flüssig-flüssig-Stoffsystem dispergierend wirken, können diese Pumpen gezielt als Dispergierapparate eingesetzt werden. Hierdurch kann der apparative Aufwand von Extraktionsanlagen reduziert und Extraktions- sowie Mischprozesse intensiviert werden. Damit bringt das durchgeführte Forschungsprojekt einen Beitrag zur Erweiterung bestehender Geschäftsfelder mit einem hohen Innovationspotential für kmU. Sowohl Pumpenhersteller als auch Anlagenplaner und -betreiber können die im Projekt erarbeiteten experimentell- und modellbasierten Ergebnisse und Methoden sowie Erkenntnisse zur Dispergierwirkung von Zentrifugalpumpen, mit einer Aufrüstung der bestehenden Anlagen oder dem Einsatz von numerischen Strömungsmechanik-Simulation, direkt nutzen.
Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 08/2018 bis 04/2021 an der RWTH Aachen, Fakultät für Maschinenwesen, Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik (Forckenbeckstr. 51, 52074 Aachen, Tel. 0241 / 80-95490) unter der Leitung von Stephan Sibirtsev M.Sc. (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr.-Ing. Andreas Jupke) und der Technischen Universität Kaiserslautern, Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik (Gottlieb-Daimler-Straße, 67663 Kaiserslautern, Tel. 0631 / 205-2414) unter der Leitung von Herrn Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Hans-Jörg Bart (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Hans-Jörg Bart)
Das IGF-Vorhaben Nr. 20017 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.