Integrierte mechatronische Fluidfördersytseme · Fehlerdiagnose und aktive Beeinflussung in...

Integrierte mechatronische Fluidfördersytseme

Industrietag an der TU Darmstadt

Das TTN-Hessen wird kofinanziert aus Mittel des Europäischen Sozialfonds (ESF).

gefördert durch

23. April 2008 | Pelz | Das Vorhaben Mechatronische Fluidfördersysteme – ein Überblick | 2

Agenda

09:00 Uhr Prof. Dr.-Ing. PelzDas Vorhaben Mechatronische Fluidfördersysteme – ein Überblick

09:30 Uhr Prof. Dr.-Ing. SchlaakPeristaltische Fluidförderung für kleine Volumina unter Einsatzdielektrischer Elastomeraktoren nach bionischem Vorbild

10:00 Uhr Prof. Dr.-Ing. BinderMagnetgelagerter integrierter Pumpenantrieb

10:30 Uhr Kaffeepause

10:45 Uhr Prof. Dr.-Ing. WerthschützkyEntwicklung eines integrierten Sensorsystems

11:15 Uhr Prof. Dr.-Ing. PelzHydrodynamische Aspekte bei integrierten Fluidfördersystemen

11:45 Uhr Prof. Dr.-Ing. NordmannFehlerdiagnose und aktive Beeinflussung in Kreiselpumpen mit Hilfe aktiver Magnetlager und elektrischer Antriebe

12:15 Uhr Mittagsimbiss

13:00 Uhr Prof. Dr.-Ing. KonigorskiVom Modul zum System - Unsere Zukunftsthemen

13:30 Uhr Fazitrunde


Ziele

Information über den aktuellen Stand der Arbeiten an der Technischen Universität Darmstadt zum Thema integrierte Fluidsysteme.

Diskussion der aktuellen Ergebnisse

Information über unser zukünftiges Forschungsthema

Ihr Feed Back


Beteiligte Fachgebiete

Elektrische EnergiewandlungProf. Dr.-Ing. Dr.-Ing. h.c. A. Binder

FluidsystemtechnikProf. Dr.-Ing. P. PelzProf. Dr.-Ing. B. StoffelDr.-Ing. G. Ludwig

Mechatronik im MaschinenbauProf. Dr.-Ing. R. Nordmann

Mess- und SensortechnikProf. Dr.-Ing. R. Werthschützky

Mikrotechnik und Elektromechanische SystemeProf. Dr.-Ing. H.F. Schlaak

Regelungstechnik und MechatronikProf. Dr.-Ing. U. Konigorski


Zeitlicher Ablauf der Forschungsthemen

2005 erster Industrietag

2005 … 2008 Integrierte, mechatronische FluidfördersystemeDFG Paketvorhaben

2008 zweiter Industrietag

2009…1011 gepl. erste Förderperiodeintegrierte, adaptive FluidsystemeDFG Forschergruppe

2012…1015 gepl. zweite Förderperiodeintegrierte, adaptive FluidsystemeDFG Forschergruppe

Das Vorhaben Mechatronische Fluidfördersysteme – ein Überblick

Peter Pelz

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft


Anforderungen an Fluidfördersysteme

Fluidfördersysteme sind

energieeffizient

robustlange Standzeithohe Anlagenverfügbarkeit

einfachbei Inbetriebnahmeim Wartungsfall

genau hinsichtlich Volumenstrom / Dosierung

leiseBildquelle KSB


Leistungsverbrauch und Einsparpotential durch Fluidfördersysteme in Europa

Wärmetechnik Q~1 m³/h P~64 TWh/a - 40 TWh/a

Wasserversorgung Q~1…10³ m³/h P~144 TWh/a - 10 TWh/a

Industrieanwendung Q > 10³ m³/h P~100 TWh/a - 35 TWh/a

308 TWh/a - 85 TWh/a

Daten basieren auf Schätzungen der deutschen Pumpenindustrie aus dem Jahr 2007 (Fa. Wilo)

Summarischer Leistungsbedarf in Europa

mögliche Leistungseinsparungin Europa

typischer Volumenstrom einer Anwendung


Potential der Leistungseinsparung

85 TWh/a entsprechen der Leistung von ca. 10 Kernkraftwerken

Einsparung durch

1. verbesserte Auslegung der Systeme

2. verbesserte Regelung der Systeme

„System Approach“Daten basieren auf Schätzungen der deutschen Pumpenindustrie aus dem Jahr 2007 (Fa. Wilo)

°C

Bildquelle Wilo AG


Funktionselelemente eines Fluidfördersystems

1. elektrischer (chemischer) Energiewandler

2. Pumpe

3. Flüssigkeitsleitung

4. Reaktor inkl. Drosselventil

5. SensorikVolumenstrom + Druck

6. Steuerung / Regelung

°C

Bildquelle Wilo AG

1

2

3

4

5

6



M

braucherVer −

P

n

dlerEnergiewan

1

Pumpe

Lager

Dichtung

2

s

lStellventi

Reaktor

4

tsleitungFlüssigkei 3

,...),( snQQ =

Steuerung od. Regelung6

Q

Q

p

p

Sensorik

5

unverzweigter Pumpenkreislauf



http://www.unifr.ch/anatomy/elearningfree/allemand/biochemie/verdauung/d-verdauung.php

VerdauungsapparatFunktionsintegration von

Energiewandler

Pumpe

Flüssigkeitsleitung

Reaktor inkl. Mischer

Sensorik

1

2

3

4

5


Technik Natur

Q

M

historisch gewachsene funktionale Trennung

durch die Evolution betriebene Funktionsintegration

sn

U

QpQ

n


Technik Natur

Q

M

historisch gewachsene funktionale Trennung

Energieeffizient

Robustheit (Dichtungen)

Aufwändig

durch die Evolution betriebene Funktionsintegration

Load Sharing

Energieeffizienz

Robustheit

sn

U

QpQ

n


System Approach in einem einfachen Beispiel

Msn

Qp

Pumpenmodul Verbraucher

Q

im stationären Fall (keine selbsterregten Schwingungen) gilt Druckgewinn = Druckverlust

( ) ( )[ ] ∞→+ Refür ,~ 04

2

σζσζρ sDQp

42 /~

DQpp V

ρσ −

Kavitationszahl

Verlustziffer

42 /~

DQpV

ρζ Δ



22~Dn

pρ

ψ

f

Vf P

P−= 1η

3~nDQϕ

)(~ 02 ζζϕψ +V

optϕ



nDu ~r

2/~ DQcr

3~~nDQ

ucϕ

wr

Durchflusszahl

QDn optopt /~ 3ϕ



Msn

Qp

Pumpenmodul Verbraucher

Q

Leistungsaufnahme der elektrischen Antriebsmaschine

( ) ( )[ ] 0,Refür ~ 04

3

>∞→+ σζζρϕηηη sDQP optfmeleopt

QDn optopt /~ 3ϕ


Was ist das System?

Bildquelle KSB


Arbeit an der TU Darmstadt in den vergangenen zwei Jahren

Integration von Antrieb, Lagerung, Dichtung, Sensorik in ein

rotodynamisches Pumpenmodule

Verteilte Anordnung im System möglich

integrierte Zustandserkennung

gegenseitige Beeinflussung

Q

n

Umsetzung einer peristaltischen Fluidförderung in einem technischen System

peristaltisches Pumpenmodul

Qp

Ms

Qp

M Q

Axialmodul Radialmodul

große Schnellläufigkeit kleine Schnellläufigkeit4/32/1 )(~ −gHnQσ


Ziel der Funktionsintegration

Q

U

Qp

M

Qp

M

s

s

Qp

M 1Q

2Q

Msn

QpQ

Entfallen verschleißanfällige Dichtungen, Fehleradaption, Reaktion auf Kavitation

Robustheit

AktuatorikStrömungsbeeinflussung, Betriebspunkt, Spalt, Interaktion

Stabilität, Kennlinie

Verteilte Module arbeiten im Sinne eines „Load Sharing“ zusammen.

Robustheit

„Automatisierter System Approach“EnergieeffizienzBenutzerfreundlichkeit


Lagerung undAntrieb Lagerung und

Antrieb

1. Integration der Funktionen „Lagern“ und „Antreiben“

Lagerung und Antrieb

Qp

Ms

Qp

M

Q



Informationen über den Betriebszustand

Informationen über den Flüssigkeitszustand

Informationen über Teillastzustände, Kavitation

Informationen über Betriebsstörungen

Informationen über Schäden

2. Integration der „Zustandserkennung“

Qp

Ms

Qp

M

Q


Integrierte Sensoren


3. Aktive Reaktion

Anpassung/ Optimierung des Betriebszustands

Selbsttätiges Fehlermanagement

Qp

Ms

Qp

M

Q



Integrierte Mechatronische Fluidfördersysteme

Binder NordmannIntegrierte Magnetlager

Integrierter Antrieb

Pelz / Ludwig WerthschützkyIntegriertes Sensorsystem

• Zustandserkennung• Fehlererkennung/-diagnose• autonome Reaktionen• Demonstrator

Schlaak

SensorikHydrodynamik

Krei

selp

umpe

peris

talti

sche

P

umpe


Zusammenfassung

Integriertes Sensorsystem

Integrierte Magnetlager

Integrierter Antrieb

Hydro-dynamik Sensorik

Fluidsystemtechnik

Prozessmess-und

Sensortechnik

Elektrische Energiewandlung Mechatronik und

Maschinenakustik

Elektromechanische Systeme der Informationstechnik

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