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Year of publication
- 2013 (1)
Document Type
- Doctoral Thesis (1)
Language
- German (1)
Has Fulltext
- yes (1)
Keywords
- Spaltströmung (1)
- Vakuumpumpe (1)
Faculty / Organisational entity
Die Auslegung trockenverdichtender Schraubenvakuumpumpen erfordert die genaue Kenntnis der schädlichen Rückströmung über die inneren Maschinenspalte. Eine herausragende Bedeutung kommt aufgrund der großen Querschnittsfläche dem Gehäusespalt zu. Zusätzlich stellt dieser eine relativ große Oberfläche für den Wärmeaustausch mit dem durchströmenden Gas zur Verfügung, was für das thermische Verhalten der Maschine wichtig ist.
In der vorliegenden Arbeit wird anhand eines vereinfachten Ersatzspaltes ein Modell entwickelt, das die Berechnung des Spaltmassenstroms und der resultierenden Wärmeströme an Rotor- und Gehäuseseite ermöglicht.
Durch die Analyse der in Schraubenvakuumpumpen typischerweise auftretenden Größenverhältnisse und Drücken wird gezeigt, dass die Strömungsform im Spalt von viskoser, schwach turbulenter bis hin zur molekularen Strömung reichen kann. Da der Gehäusespalt von zwei Maschinenteilen gebildet wird, weisen beide Spaltberandungen i.A. deutlich verschiedene Temperaturen auf, was für die Modellierung des Wärmeübergangs berücksichtigt werden muss.
Um das Modell allgemeingültig zu gestalten, wird die Analyse auf der Basis von dimensionslosen Werten für die Wandreibung und die Wärmeströme durchgeführt. Zur Bestimmung werden im Bereich der viskosen Strömung CFD- Methoden eingesetzt, die eine detaillierte Auswertung der Reibwert- und Wärmestromverläufe ermöglichen. Zur Modellierung der turbulenten bzw. transitionellen Strömung kommt in dieser Arbeit das SST-Turbulenzmodell unter Anbindung eines Transitionsmodells zum Einsatz.
Für verdünnte Strömungen sind diese Methoden nicht einsetzbar; es kann jedoch gezeigt werden, dass hier die Einlauf- und Kompressibilitätseffekte nur eine untergeordnete Rolle spielen. Dies erlaubt eine einfache Modellierung durch Anpassung des Reibungsgesetzes und der effektiven Wärmeleitfähigkeit des Gases als Funktion der Gasverdünnung.
Mit den für alle Strömungsbereiche bekannten Reib- und Wärmeübertragungsgesetzen wird ein Berechnungsalgorithmus formuliert, der unter Vorgabe von Gasart, Spaltgeometrie, Druck vor und hinter dem Spalt sowie der Temperaturen eine effektive Berechnung des gesuchten Spaltmassenstroms sowie der Wärmestromverläufe in die Bauteile ermöglicht.
Die Validierung des entwickelten Modells erfolgt anhand von Versuchen mit einem Spaltkonturkörper, der zwischen zwei Rezipienten mit unterschiedlichen Drücken positioniert wird. Die Oberflächen des Konturkörpers sind ungleich temperiert und mit Wärmestromsensoren ausgestattet. Der Abgleich der gemessenen mit den berechneten Werte zeigt für alle Strömungsbereiche gute Übereinstimmung, was die Gültigkeit des vorgestellten Modells belegt.