Berechnung und Simulation von Verdichtern und Expandern

Schraubenverdichter werden zur Verdichtung von Gasen in verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt wie bspw. für industrielle Kälte-, Klima- und Wärmepumpen-Anwendungen. Sie werden u.a. wegen der hohen realisierbaren Volumenströme, der vergleichsweisen pulsationsarmen Verdichtung eingesetzt.

Die additive Fertigung bietet einen revolutionären Ansatz zur Herstellung komplexer Bauteile. Diese Methode ermöglicht eine größere Designfreiheit und erlaubt die Erstellung optimierter Geometrien, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht realisierbar sind. Die additive Fertigung und die Finite-Elemente-Methode (FEM) kann zur Entwicklung von effizienten und robusten additiv-gefertigten Schraubenverdichterrotoren vorteilhaft eingesetzt werden. Im Rahmen der Arbeit sind folgende Schwerpunkte zu bearbeiten:

Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Konstruktion eines Schraubenverdichterrotors mit Hilfe fortschrittlicher CAD-Software und die Durchführung einer detaillierten FEM-Analyse zur Bewertung seiner Wärmeleitfähigkeit und strukturellen Integrität. Aufgaben sind:

• Durchführung einer Literaturrecherche zum Stand der Technik bei Schraubenverdichtern und additiven Fertigungstechnologien
• Literaturrecherche hinsichtlich möglicher Materialien und Füllstrukturen für verschiedene Einsatzfälle
• Entwurf eines für die additive Fertigung optimierten Schraubenverdichterrotors mit verschiedenen Füll-Strukturen für einen zu spezifizierenden Einsatzfall und Betriebspunkt
• Durchführung von FEM-Analysen zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften der Rotoren mit verschiedenen Füll-Strukturen (inkl. Spannungsverteilung und Verformung unter Betriebsbedingungen)

Erforderlich: Grundkenntnisse in CAD-Konstruktion und FEM

Eine kontinuierliche Zusammenarbeit und ein regelmäßiger Austausch mit dem Betreuer sind erforderlich.

Betreuer: Dipl.-Ing. S. Tuffaha

Hubkolbenkompressoren spielen in verschiedenen Industriezweigen eine wichtige Rolle, da sie in der Lage sind, Gase mit hohem Druck effizient zu verdichten. Herkömmliche Herstellungsverfahren für Kolben können arbeitsintensiv und kostspielig sein, insbesondere wenn es um die Herstellung komplexer Designs zur Optimierung der Kolbeneigenschaften geht.

Die additive Fertigung, bietet einen vielversprechenden Ansatz zur Herstellung komplexer Bauteile. Diese Technologie ermöglicht die Herstellung optimierter Geometrien, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nur schwer oder gar nicht zu erreichen wären. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Konstruktion eines Leichtbau-Kolbens mit Hilfe fortschrittlicher CAD-Software und die Durchführung einer detaillierten FEM-Analyse zur Bewertung seiner Wärmeleitfähigkeit und strukturellen Integrität. Aufgaben sind:

• Durchführung einer Literaturrecherche zum Stand der Technik bei Hubkolbenverdichter, additiven Fertigungstechnologien
• Literaturrecherche hinsichtlich möglicher Materialien und Füllstrukturen für verschiedene Einsatzfälle
• Entwurf eines für die additive Fertigung optimierten Leichtbau-Kolbens in Prozessgasverdichtern mit verschiedenen Füll-Strukturen
• Durchführung von FEM-Analysen zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften des Kolbens, einschließlich Spannungsverteilung und Verformung unter entsprechenden Randbedingungen

Erforderlich: Grundkenntnisse in CAD-Konstruktion und FEM

Eine kontinuierliche Zusammenarbeit und ein regelmäßiger Austausch mit dem Betreuer sind erforderlich.

Betreuer: Dipl.-Ing. S. Tuffaha

Im Rahmen eines Forschungsprojektes bei J.P. Sauer & Sohn wird aktuell eine Kompressoranlage zur Verdichtung von CO₂ speziell unter den dynamischen Randbedingungen überkritischer Anwendungen entwickelt. Neben einem experimentellen Versuchsaufbau der zu einem späteren Zeitpunkt realisiert wird, soll ein modulares Simulationsmodell in der Software Dymola von Dassault Systemes unter Verwendung der TIL-Suite von TLK-Thermo aufgebaut werden, mithilfe dessen sich das Verhalten des Kompressors abbilden lässt.

Vorgesehen ist hierzu ein semi-empirisches Modell das im ersten Schritt die Reproduktion des erwarteten stationären Verdichterverhaltens aus der Vorauslegung erlaubt. Dabei ist die Anpassung des Modells mithilfe messtechnisch erfasster Daten aus dem Versuch vorzubereiten.

Zudem soll die Erweiterung des Modells auf instationäre Betriebszustände und Schaltvorgänge während des Betriebs konzeptionell ausgearbeitet werden, sodass eine spätere Integration in ein übergeordnetes Anlagenmodell ermöglicht wird.

Die Aufgabenstellung umfasst:

• Die Einarbeitung in die Softwares Dymola und TIL, sowie die Programmierumgebung Modelica.
• Den Aufbau eines semi-empirischen stationären Modells des Verdichters, das die Anpassung über später zu ermittelnde Messwerte am Versuchsaufbau ermöglicht.
• Die Konzipierung einer späteren Erweiterung des Modells auf instationäre Betriebsfälle.
• Die Präsentation der Ergebnisse im Hause Sauer, sowie die Übergabe des Simulationsmodells.

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche, Dipl.-Ing. B. Bederna

Für die thermodynamische Berechnung von Verdrängermaschinen (insb. vom Typ Hubkolben, Wankel und Schrauben-Spindel) liegt eine intern entwickelte Software KVA (Kolbenverdichteranlagen) vor. Mit dieser Software können Verdrängermaschinen im Rahmen eines thermodynamischen 0D-Kammermodells sehr detailliert beschrieben und schnell berechnet werden. Die Software bzw. die dort verwendeten Methoden/Funktionen selbst basieren auf Skripten der Programmiersprache Fortran und sollen im Rahmen einer studentischen Arbeit auf die Programmiersprache Python übertragen werden. Um die Vorteile von Fortran weiterhin zu nutzen, soll der Code weitestgehend erhalten bleiben und als neue Python-Bibliothek umgesetzt werden (z.B. mittels F2PY = Fortran to Python interface generator). Ziel dieser Bibliothek ist es, ein komplettes Verdrängermaschinenmodell in Python auf Basis von Fortran-(bzw. KVA-)modulen erstellen zu können. Die Aufgabe umfasst folgende Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in die bisherige Software KVA und die programmatischen Zusammenhänge (z.B. Klassen, Kapselung, …) und Parameter
• Einarbeitung in die Schnittstelle Fortran/Python (z.B. F2PY) und die notwendigen Deklarationen zur Einbindung von Fortran-Code in Python
• Erstellung einer Python-Bibliothek auf Basis der Fortran-Module unter Beachtung einer guten Benutzerfreundlichkeit (z.B. Parameterbezeichnungen und Dokumentation)
• Erstellung eines exemplarischen Verdichtermodells (auf Basis eines bestehenden Fortran-Modells) in Python
• Vergleich des Python basierten Verdichtermodells mit dem Fortran-Modell hinsichtlich Berechnungszeit und Ergebnisgüte

Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch

Die Europäische Union verfolgt mit dem European Green Deal das Ziel einer ressourceneffizienten Wirtschaft. U.a. wird die Verbesserung der Ressourceneffizienz und Langlebigkeit von Produkten angestrebt. Bei Kältemittelverdichtern spielt hierfür die Verringerung der genutzten Ressourcen wie Schmieröl eine entscheidende Rolle. Da es im Stand der Technik bisher nur vereinzelte Untersuchungen zu ölfreien Kälteanlagen und Wärmepumpen gab, sollen mittels eines Demonstrators die Potentiale des ölfreien Betriebs aufgezeigt werden.

Da bisher wenig Erfahrungen mit dem Betrieb ölfreier Scroll-Verdichter für Wärmepumpenanwendungen vorliegen, soll in einem ersten Schritt ein thermodynamisches Simulationsmodell für einen vorhandenen Verdichter erstellt werden.

Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themengebiete Scroll-Verdichter, Wärmepumpen, ölfreie Verdichtung und Kaltdampfkompressionsanlagen
• Einarbeitung in die Open-Source-Simulationssoftware PDSim
• Geometrische Vermessung der vorhandenen Scroll-Geometrie
• Erstellung eines thermodynamischen Modells des Scroll-Verdichters
• Zusammenfassung und Dokumentation der Herangehensweise, der Ergebnisse und Erkenntnisse

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Joswig

Die Europäische Union verfolgt mit dem European Green Deal das Ziel einer ressourceneffizienten Wirtschaft. U.a. wird die Verbesserung der Energieeffizienz und der Langlebigkeit von Produkten angestrebt. Bei Kältemittelverdichter spielt hierfür die Verringerung der auftretenden Reibverluste eine entscheidende Rolle. Da die Einzelreibverluste nicht ausreichend bekannt sind, sollen diese mittels eines Simulationsmodells ermittelt werden.

Mit dem Simulationsprogramm GT-Suite sind prädiktive Reibverlust-Modellierungen möglich. Im Rahmen dieser Aufgabenstellung soll ein Modell für einen Hubkolbenverdichter für natürliche Kältemittel aufgebaut und erste Simulationen durchgeführt werden.  Für die Bearbeitung steht ein PC mit notwendiger Software zur Verfügung.

Die Aufgabenstellung beinhaltet:

• Einarbeitung in die Themenfelder Kältemittelverdichter, Einsatzgrenzen-Diagramm, Kältemaschinenöle, Schmierungstechnik und Simulation mit GT-Suite
• Literaturrecherche hinsichtlich Predictive Friction Modeling
• Erstellung eines CAD-Modells für die Simulation anhand vorgegebener Verdichterbauteile
• Aufbau des Simulationsmodells in GT-Suite und Implementierung von ausgewählten Reibkontakten und Lagerstellen unter Berücksichtigung der Schmieröl-Kältemittel-Interaktion
• Simulation der Reibverluste in verschiedenen Betriebspunkten des Verdichters
• Vergleich der Einzelreibverluste und Vergleich zur gesamten Maschine (indizierte Arbeit, mechanischer Wirkungsgrad, etc.)
• Durchführung einer Parameterstudie (Oberflächenrauhigkeit, Ölviskosität, Geschwindigkeit, etc.) in einem ausgewählten Betriebspunkt, um Optimierungspotentiale hinsichtlich der Reibverluste aufzuzeigen
• Zusammenfassung und Dokumentation der Herangehensweise, der Ergebnisse und Erkenntnisse

Betreuer: Dipl.-Ing. M. Joswig

Schrauben-Spindel-Verdichter stellen eine Sonderform von Schraubenverdichtern da. Sie werden typischerweise in der Vakuumtechnik eingesetzt. In vorhergehenden Arbeiten wurde zunächst ein Berechnungstool namens „KVA-Spindel“ erstellt und Messungen mit einer bestehenden Schrauben-Spindel-Vakuumpumpe durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit soll das Berechnungstool mithilfe der Messdaten validiert und durch gezielte Anpassung von Parametern optimiert werden. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:

• Einarbeitung in bisherige Arbeiten zur Messung und zum Programm „KVA-Spindel“ sowie in Normen zur Verdichterleistungsmessung / -kennfeldern
• Aufbereitung und Auswertung der Messergebnisse
• Durchführung von Berechnungskampagnen mithilfe von „KVA-Spindel“ und den Messergebnissen zugrundeliegenden Betriebsparametern
• Vergleich von Messung und Berechnung und iterative Anpassung ausgewählter Berechnungsparameter
• Erstellung von Verdichterleistungskennfeldern mithilfe von einer Parameterstudie in „KVA-Spindel“

Betreuer:  Dipl.-Ing. Th. Mösch

Bei Hubkolbenkompressoren werden durch das oszillierende Funktionsprinzip unvermeidlich Pulsationen erzeugt. Ihre Ausbreitung in die peripheren Leitungen und Anlagenteile kann verschiedene nachteilige Auswirkungen nach sich ziehen. Daher werden üblicherweise Maßnahmen getroffen, um die Pulsationen zu beeinflussen bzw. auf ein ausreichend niedriges Niveau zu verringern.

Ziel der Arbeit ist es, ein eindimensionales Simulationsmodell einer repräsentativen Kolbenkompressoranlage Basis von Open-Source-Softwaretools (z.B. OpenModelica) zu erstellen und zu testen. Die Anlage soll im Modell so abgebildet werden, dass das instationäre Verhalten der thermodynamischen und strömungsmechanischen Größen während des Betriebs wiedergegeben wird. Damit sollen dann Druckschwankungen, die der Kompressor erzeugt und die sich in der Anlage fortpflanzen, berechnet und untersucht werden. Das Modell soll so gestaltet werden, dass es für verschiedenste Anlagen angepasst werden kann und später dazu dienen, Pulsationen in Kompressoranlagen zu modellieren und zu verstehen.

Hierzu sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:

• Einarbeitung in die Thematik der Kreuzkopfkompressoren und gasführender Anlagen sowie in die Funktionsweise und Handhabung einer geeigneten Simulationssoftware
• Erarbeitung eines vielseitigen, leistungsfähigen Simulationsmodells zur Berechnung der instationären thermo- und fluiddynamischen Vorgänge in einer Hubkolbenkompressoranlage
• Validierung des erarbeiteten Simulationsmodells
• Exemplarische Darstellung verschiedener Berechnungsfälle mit Erläuterungen
• Erstellung einer Benutzer-Dokumentation zum erarbeiteten Simulationsmodell

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche

Für die Kolbenstangeninnenkühlung, die sich als vielversprechende Kühltechnologie für Kreuzkopfverdichter gezeigt hat, ist die Kolbenstange hohlzubohren. Dadurch wird auch die tragende Querschnittsfläche der Kolbenstange verringert, welche den wechselnden Belastungen im Verdichterbetrieb standhalten muss. Besonders diese Dynamik und die in diesem Fall zu berücksichtigende Versagensform des Knickens erschweren die korrekte Vorausberechnung und Aussagen zur Dauerfestigkeit. Daher soll in dieser Arbeit ein Berechnungsmodell entwickelt werden, mit dem das zeitliche Festigkeitsverhalten einer hohlen Kolbenstange in Abhängigkeit aller relevanten Belastungen und der geometrischen sowie werkstofftechnischen Eigenschaften ermittelt werden kann.

Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche