In dieser Bachelorarbeit wird eine n-stufige Kreiselpumpe für die Förderung des Kältemittels R-123 ausgelegt. Die Pumpe soll im Bereich 0,15 bar bis 28 bar und im ORC-Prozess (Organic Rankie Cycle) eingesetzt werden.
Für die Auslegung der Pumpe sind folgende Ausgangspunkte vorgegeben: Die Eintrittstemperatur Tein = 30° liegt auf der Siedelinie und der Austrittsdruck des Kältemittels entspricht pAus = 28 bar. Zusätzlich ist der isentrope Wirkungsgrad der Pumpe gegeben. Dieser beträgt ηpumpe = 70 %. Bei den Berechnungen wird von einem idealen Fluid ausgegangen. Der Schwerpunkt dieser Bachelorarbeit liegt auf der thermodynamischen Auslegung der Pumpe hinsichtlich Laufrad, Anzahl der Laufräder, Schaufelzahl und Schaufelform.
Bei der Auslegung der Radialpumpe wird die Vorgehensweise entsprechend der Diplomarbeit „Entwicklung eines Auslegungsverfahrens für Kreiselpumpen“ von Birgit Müller angewendet.Bevor mit den Berechnungen und der Auslegung der Radialpumpe angefangen wird, wird kurz auf den Aufbau und die Funktion der Kreiselpumpe sowie ihre verschiedenen Ausführungen eingegangen. Anschließend wird das Kühlmittel R-123 in seinen Eigenschaften und dessen Anwendungsbereich kurz erklärt. In dieser Arbeit wird nicht tiefer auf die Eigenschaften und die chemische Zusammensetzung der Kältemittel R-123 eingegangen.Nach der theoretischen Einführung in die Materie soll die Anzahl der Stufen der Radialpumpe berechnet werden. Neben der ermittelten Temperaturdifferenz soll ebenfalls die Druckdifferenz festgestellt werden. Über den Druckunterschied wird die Anzahl der Laufräder zuerst geschätzt und danach mit der entsprechenden Formel berechnet.Bei der Berechnung des Laufraddurchmessers wird zuerst die spezifische Drehzahl der Pumpe berechnet. Darauf basierend wird der Außendurchmesser berechnet und nach DIN 24255 wird daraufhin der Durchmesser des Laufrades festgelegt. Nachdem der Außendurchmesser feststeht, wird die Breite des Laufrades festgelegt. Weiterhin werden die Wellen-Laufrad-Verbindungen, die Dichtungen und die Lager kurz beschrieben. Auf die Kavitation wird nur eingegangen werden bei der Auswahl des Werkstoffes für das Laufrad. Abschließend wird die Verbindung zwischen Welle, Laufrad und Lagerart sowie die Dichtungsart gewählt. Hierbei werden die theoretischen und rechnerischen Grundlagen nicht beschrieben.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Allgemeine Grundlagen der Pumpentechnik
2.1 Allgemeine Grundlagen der Kreiselradpumpen
2.2 Funktion und Aufbau der Kreiselpumpe
2.3 Unterscheidungsmerkmale der Kreiselpumpe
2.4 Allgemeine Grundlagen der Radialpumpe
2.5 Einsatzbereiche der Radialpumpe
2.6 Funktion und Aufbau von Radialpumpen
3 Allgemeine Beschreibung des Kältemittels R-123
3.1 Chemische Bezeichnung des Kältemittels R-123
3.2 Anwendungsbereich des Kältemittels R-123
4 Auslegungsverfahren der Radialpumpen
4.1 Eingangsdaten für die Auslegung der Radialpumpe
4.2 Bestimmung der Stufenanzahl
4.2.1 Bestimmung des Druckunterschiedes
4.2.2 Berechnung der Stutzenarbeit
4.2.3 Berechnung der Förderhöhe
4.3 Berechnung der spezifischen Drehzahl
4.3.1 Berechnung der Laufzahl
4.3.2 Bestimmung der Laufradstufen
4.3.3 Bestimmung der Laufradform
4.4 Vorwählen der Leitvorrichtung
4.5 Bestimmung des Saugbereiches
4.6 Bestimmung des Druckbereiches
4.7 Berechnung der Radreibungsleistung
4.8 Gesamtwirkungsgrad der Pumpe
4.9 Ablaufplan der Pumpenlaufradauslegung
5 Bestimmung von Konstruktionswerten
5.1 Berechnung des Schaufelverlaufs
5.1.1 Erstellung eines Kreisbogenverfahrens
5.1.2 Erstellen des Laufrades nach der punktweise berechneten Schaufel
5.1.3 Überprüfung des Schaufelverlaufs
5.2 Berechnung der Radscheibe
5.3 Berechnung des Achsschubes
5.3.1 Druckkraft auf der Bodenfläche des Laufrades
5.3.2 Berechnung der Radialkräfte am Laufrad
5.3.3 Ausgleich des Achsschubes
5.4 Berechnung der Leitvorrichtung
5.4.1 Auslegung des Spiralgehäuses
5.4.2 Zusammenfassung der Ausgangsdaten
5.4.3 Rechnerische Ermittlung der konstruktiven Werte
5.5 Kavitation
5.6 Auslegung angrenzender Bauteile
5.6.1 Wellen-Naben-Verbindung
5.6.2 Lagerung
5.6.3 Allgemeine Information über die Wälzlager
5.6.4 Arten von Wälzlagern
5.6.5 Lagerung der Welle
5.6.6 Dichtungen
5.6.7 Berührungsdichtung
5.6.8 Berührungsfreie Dichtungen
5.6.9 Auswahl der Dichtung
6 Zusammenfassung
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die thermodynamische Auslegung einer n-stufigen Radialpumpe, die für die Förderung des Kältemittels R-123 im Rahmen eines ORC-Prozesses eingesetzt werden soll. Die Forschungsfrage fokussiert sich dabei auf die Bestimmung der optimalen Laufradkonfiguration sowie der notwendigen Stufenanzahl unter Berücksichtigung definierter Randbedingungen.
- Thermodynamische Auslegung des Laufrades und der Stufenanzahl
- Berechnung der Schaufelgeometrie und des Schaufelverlaufs
- Analyse und Berechnung von Achsschüben und Radialkräften
- Auslegung der Leitvorrichtung und des Spiralgehäuses
- Konstruktive Auslegung angrenzender Bauteile (Lagerung, Dichtungen)
Auszug aus dem Buch
4.2.1 Bestimmung des Druckunterschiedes
Die Eintrittstemperatur Tein = 30°C liegt auf der Siedelinie, diese bestimmt auch den Druck p1 und die Dichte ρ1, die Enthalpie h1 so wie die Entropie s1. Diese Daten werden aus den Stoffwerttabellen für R-123 entnommen [12].
f(p1) = T1, ρ1, h1, s1 (1.0)
Stoffwerte aus der Tabelle für R-123 ergeben bei Tein = 30°C [12]:
p1= 1,2 bar = 120.000 N/m2
ρ1= 1451,0 kg/m3
h1= 230,26 kJ/kg
s1 = 1,1049 kJ/(kg*K)
Tein = T1 = 30°C = 303,15 K
Der Austrittsdruck P2 ist 28 bar, daraus wird die Temperatur T2 ermittelt. Zusätzlich werden h2 und s2 aus den Stoffwerten berechnet.
paus = p2 = 28 bar = 2.800.000 N/m2
h2 = 232,91 kJ/kg
s2 = 1,1075 kJ/(kg*K)
Taus = T2 = 304,2 K
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung definiert die Zielsetzung zur Auslegung einer mehrstufigen Radialpumpe für das Kältemittel R-123 und umreißt die methodische Vorgehensweise.
2 Allgemeine Grundlagen der Pumpentechnik: Dieses Kapitel erläutert die Funktionsprinzipien, den Aufbau und die Differenzierungsmerkmale verschiedener Bauarten von Kreiselpumpen.
3 Allgemeine Beschreibung des Kältemittels R-123: Das Kapitel bietet eine chemische und anwendungstechnische Charakterisierung des Kältemittels R-123 sowie dessen Bedeutung in Kälteanlagen.
4 Auslegungsverfahren der Radialpumpen: Hier werden die mathematischen und physikalischen Schritte zur thermodynamischen Auslegung der Pumpe, von der Stufenanzahl bis zum Wirkungsgrad, detailliert hergeleitet.
5 Bestimmung von Konstruktionswerten: Dieses Kapitel konzentriert sich auf die geometrische Auslegung der Schaufeln, die mechanische Dimensionierung von Welle und Lagerung sowie Aspekte der Kavitationsvermeidung.
6 Zusammenfassung: Die Zusammenfassung reflektiert den Auslegungsprozess und die Herausforderungen bei der iterativen Berechnung einer Radialpumpe unter Berücksichtigung von Erfahrungswerten.
Schlüsselwörter
Radialpumpe, Kältemittel R-123, ORC-Prozess, Laufradauslegung, Schaufelwinkel, Druckunterschied, Stufenanzahl, Wirkungsgrad, Kavitation, Leitvorrichtung, Spiralgehäuse, Achsschub, Pumpentechnik, Thermodynamik, Strömungsmechanik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der thermodynamischen und konstruktiven Auslegung einer mehrstufigen Radialpumpe, die spezifisch für die Förderung des Kältemittels R-123 in einem ORC-Prozess konzipiert wird.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Schwerpunkte liegen auf der energetischen Stufenberechnung, der geometrischen Konstruktion des Laufrads, der Bestimmung der Leitvorrichtung sowie der mechanischen Auslegung angrenzender Komponenten wie Lager und Dichtungen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, ein funktionsfähiges Design einer Radialpumpe zu entwickeln, das die geforderten Druckverhältnisse von 0,15 bar auf 28 bar bei vorgegebenem Massenstrom effizient bewältigt.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Autorin wendet ein iteratives Auslegungsverfahren an, das auf den Ansätzen von Birgit Müller basiert und durch gängige Tabellen, empirische Formeln und Diagramme der Strömungsmaschinenlehre gestützt wird.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Berechnung der Stufenanzahl, des Laufraddurchmessers, der Schaufelgeometrie, der auftretenden Axial- und Radialkräfte sowie die Festlegung der konstruktiven Rahmenbedingungen.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit beschreiben?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Radialpumpe, Kältemittel R-123, ORC-Prozess, Schaufelauslegung, hydraulischer Wirkungsgrad und Kavitation charakterisieren.
Warum ist eine iterative Berechnung für dieses Pumpendesign notwendig?
Da viele Kennwerte, wie die spezifische Drehzahl oder Schaufelverengungsfaktoren, voneinander abhängen und durch Erfahrungswerte angepasst werden müssen, ist ein iterativer Prozess zwingend erforderlich, um ein konsistentes Gesamtsystem zu erzielen.
Welche Rolle spielt die Wahl des Kältemittels R-123 für die Auslegung?
R-123 dient als spezifisches Fördermedium, dessen thermodynamische Stoffwerte (Dichte, Enthalpie, Entropie) die Berechnung der Druckdifferenz und somit die thermodynamische Auslegung der Stufen maßgeblich bestimmen.
- Quote paper
- Resul Erdagi (Author), 2012, Auslegung einer Radialpumpe zur Förderung des Kältemittels R123, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/210532
