Entwicklung von hydraulisch optimalen Verteiler- und Sammlerprototypen

Ein weiteres zentrales Element von Erdsondenfeldern bilden neben der Verrohrung die Verteiler und die Sammler. Im Rahmen dieses FuE-Vorhabens sollte geprüft werden, ob und in welchem Umfang sich die am Markt angebotenen Typen durch geometrische Veränderung strömungstechnisch optimieren lassen. Zur Beantwortung dieser Fragestellung wurden als Entwicklungsbasis geeignete numerische Werkzeuge und ein Messstand (vgl. Abb. 1) im UFT erarbeitet.

Hierdurch konnten Simulationsergebnisse, erzeugt anhand der numerischen Werkzeuge, erfolgreich mit den Messdaten verglichen werden. Dies hat zu validierten numerischen Simulationsumgebungen geführt. Darauf aufbauend bestand die zentrale Aufgabe in der numerischen Optimierung, primär der geometrischen Parameter des Sammlerzylinders, sowie der anschließenden Anfertigung und messtechnischen Überprüfung der optimalen Form. Die Ergebnisse aus den Messungen anhand der optimalen Sammlerform konnten den numerisch optimalen Daten gegenübergestellt werden. (vgl. Abb. 2).

Abb. 1: Messstand

Abb. 2: Vergleich von Messergebnissen mit den Ergebnissen der numerischen Simulation.

Zunächst wurden die Geometrien der gelieferten Industriekomponenten vermessen. Auf Grundlage dieser Maße konnten numerische Modelle erstellt werden (vgl. Abb. 3 und 4)

Abb. 3: Rohrnetztopologie eines Hausanschlussrohres, zu sehen vor dem Hintergrund eines vertikalen Hauptzylinders.

Abb. 4: Diskretisierung des optimalen Sammlers für die numerische Simulation.

Ein Vergleich der numerischen Simulationsergebnisse mit den Messdaten (vgl. Abb. 2) ergab ein validiertes numerisches Simulationswerkzeug. Am Verteilerzylinder konnte ein Druckverlust zwischen 5-11 mbar numerisch ermittelt und gemessen werden. Diese Größenordnung hat zu der Entscheidung geführt, dass das numerische Optimierungspotenzial dieses Zylinders als wissenschaftlich interessant aber praktisch nicht signifikant eingestuft und nicht weiter verfolgt wurde. Bei dem Sammlerzylinder hingegen konnten Druckverluste hingegen von bis zu 70 mbar messtechnisch und numerisch ermittelt werden. Diese Geometrie wurde weitergehend numerisch optimiert. Die Drucksensoren haben dabei einen Fehlerbereich von ± 2.5 mbar - ± 5 mbar.

Als relevantes Fluid wurde Glykol eingesetzt.

Für eine weitergehende Bewertung der Sammlereigenschaften konnten anhand der erzeugten Antwortflächen effizient Analysen durchgeführt werden. Dazu wurden lokale Sensitivitätsanalysen durchgeführt. Gut erkennbar ist der nichtlineare Zusammenhang zwischen einer Veränderung der Zylinderhöhe oder dem Zylinderdurchmesser und der Druckdifferenz über dem Sammler. Während es sich bei ausschließlicher Änderung des Zylinderdurchmessers um ein konvexes Optimierungsproblem handelt, liegt bei der ausschließlichen Änderung der Zylinderhöhe ein nicht-konvexes Optimierungsproblem vor. Auch aufgrund zusätzlicher nicht-konvexer Zielfunktionen ist somit das nicht-lineare Optimierungsproblem nicht-konvex. Der Einfluss der Zylinderhöhe auf die Druckdifferenz ist geringer als der Einfluss des Zylinderdurchmessers auf die Druckdifferenz. Die Druckdifferenz kann relativ um ca. 22% durch den Zylinderdurchmesser beeinflusst werden. Dies entspricht einer absoluten Druckdifferenz von 1100 Pa. Die Druckdifferenz kann durch eine Veränderung der Zylinderhöhe um ca. 300 Pa beeinflusst werden. Dies entspricht einem relativen Veränderungspotenzial von gut 8%.

Anhand der Simulationen auf Basis dieser optimalen Parameterwerte konnte ein Optimierungspotenzial von im Mittel bis zu 53% (im Massenstrombereich 1-5 kg/s) im Vergleich zum Standard-Industrieprodukt erzielt werden.

Die mittlere Druckdifferenz über den betrachteten Massenstrom von 1,3 bis 4,9 kg/s betrug bei dem originalen Sammlerzylinder gemessen 3057 Pa und simuliert 3131 Pa, dies entspricht einer relativen Differenz von ca. 3%. Bei dem auf Basis von optimalen Parameterwerten angefertigten Sammler betrug die Druckdifferenz gemessen 1461 Pa und simuliert 1540 Pa, dies entspricht einer rel. Differenz von 5,4%. Im Mittel betrug die gemessene Verbesserung der Druckdifferenz zwischen den Drücken am originalen Sammlerzylinder und optimalen Sammlerzylinder sensationelle 52%.