Thermofluiddynamik zweiphasiger Strömungen in Schraubenspindelpumpen

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Rausch, Tobias

Thermofluiddynamik zweiphasiger Strömungen in Schraubenspindelpumpen
In der Erdöl und Erdgas fördernden Industrie werden Gemische aus Rohöl, wässrigen Salzlösungen und Erdgas einschließlich darin suspendierter fester Partikeln über große Entfernungen durch Pipelinesysteme transportiert. Zum Überwinden der dabei auftretenden Druckverluste, welche die geologisch bedingten Förderdrücke oft übersteigen, müssen Mehrphasenpumpen eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich häufig um Schraubenspindelpumpen. Diese bestehen aus zwei achsparallel angeordneten Schraubenspindeln, deren Steigungen gleichen Betrags, jedoch entgegengesetzt gerichtet sind. Die Schraubenspindelflanken sind kämmend angeordnet, so dass die zwischen ihnen und dem Gehäuse auftretenden Spalte möglichst kleine Querschnitte für eventuell auftretende Leckströmungen freigeben. Beim gegensinnigen Rotieren der Schraubenspindeln entstehen auf diese Weise zwischen deren Flanken und dem Gehäuse geschlossene Kammern, welche sich von der Einlass- zur Auslassseite der Pumpe bewegen. Schraubenspindelpumpen sind daher sogenannte Volumenförderer, die ähnlich den Kolbenpumpen nach dem Verdrängerpumpprinzip arbeiten. In den geschlossenen Kammern werden je nach Strömungsform am Einlass der Pumpe unterschiedliche Phasenanteile der mehrphasigen Strömung eingeschlossen. Diese werden auf ihrem Weg vom Einlass zum Auslass verdichtet. Hierbei ist die Leckströmung, welche sich in den zwischen den einzelnen Kammern befindlichen Spalten einstellt, für das Betriebsverhalten der Pumpen von Einfluss. Letzteres beschreibt die geförderten Massen- bzw. Volumenströme in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass.
Während die Betriebsweise derartiger Pumpen aus experimentellen Arbeiten von Vauth ⁴ bekannt ist, fehlen bisher verlässliche Berechnungsmethoden zur Vorhersage des Förderverhaltens. Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit ist es daher, diese Lücke mit theoretischen und experimentellen Arbeitsmethoden zu schließen. Dabei sollen unterschiedliche Strömungsformen am Einlass und Auslass der Pumpe berücksichtigt werden. Dazu ist der Einfluss unterschiedlicher Phasenanteile des in den Kammern der kämmenden Schrauben eingeschlossenen mehrphasigen Gemischs auf die Leckströmung in den Spalten zu ermitteln. Gleichzeitig werden die im mehrphasigen Gemisch ablaufenden Transportvorgänge für Impuls-, Wärme und Stoffaustausch unter der Wirkung der beim Verdichten sich zeitlich rasch verändernder thermodynamischer Gleichgewichte berücksichtigt. Erstmalig werden dabei neue konstruktive Lösungen für Schraubenspindeln mit in Förderrichtung abnehmender Steigung und demzufolge sich vermindernden Kammervolumens in die Vorausberechnung eingeschlossen.
Stichworte: Mehrphasenpumpe, Schraubenspindelpumpe, Mehrphasenströmung