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12.02.2018 | Energie | Interview | Onlineartikel

"Turbulenzfreie Strömungen senken den Pumpenergieverbrauch"

Autor:
Nico Andritschke

Turbulenzen in Rohrströmungen bewirken hohe Energieverbräuche. Dr. Jakob Kühnen hat eine Methode mitentwickelt, mit der in Rohrleitungen auftretende turbulente Strömungen in laminare wandelbar sind.

Springer Professional: Welche Bedeutung haben die gewonnenen Erkenntnisse in der Praxis?

Jacob Kühnen: Aus der Perspektive der Grundlagenforschung ist es zunächst einmal sehr spannend zu sehen, dass eine turbulente Rohrströmung überhaupt wieder in eine laminare Strömung umgewandelt werden kann. Dies war bisher unbekannt. Wir zeigen nun gleich mehrere relativ einfache praktische Möglichkeiten auf, immer mit der gleichen Methode: Wir verändern das Strömungsprofil im Rohr derart, dass die Turbulenz zerfällt beziehungsweise keine neue Turbulenz entstehen kann. Die technische Realisierung kann dabei sehr unterschiedlich sein: einmal mittels Rotoren, die die Strömung stark verwirbeln. Oder mittels Eindüsung von Flüssigkeit durch einen schmalen Ringspalt gleich an der Rohrwand. Oder indem man die Rohrwand mit der Strömung ein kleines Stück mitbewegt. Auch der Einbau eines kleinen Hindernisses im Rohr funktioniert, solange das Strömungsprofil im Rohr genau in der gewünschten Weise gezielt verändert wird.

Von der technischen Seite gesehen ist natürlich vor allem der Aspekt der Energieeinsparung interessant. Turbulenz verursacht den mit Abstand größten Anteil der Wandreibung in einem Rohr. Eine turbulenzfreie Strömung verbraucht also wesentlich weniger Pumpenergie.

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Strömungsvorgänge in Maschinen, Apparaten, Anlagen und in der Natur verlaufen in der Regel dreidimensional und viele davon auch instationär, d. h. zeitabhängig wie z. B. An- und Abfahrvorgänge von Maschinen, Start- und Landevorgänge von Flugzeugen  oder Tauchgänge von U-Booten. 


Wie würden Sie Ihre Untersuchungen und Erkenntnisse zusammenfassen und wie unterscheidet sich ihre Innovation von Ergebnissen vergleichbarer Projekte?

Wir haben eine Methode gefunden, um turbulente Rohrströmungen laminar zu machen. Diese Methode haben wir in mehreren technischen Prototypen realisiert und erfolgreich getestet. Unsere Methode funktioniert regelungstechnisch gesehen "open-loop" beziehungsweise sogar völlig passiv, es sind also keinerlei Rückkopplungsmechanismen oder unmittelbare Informationen über die Strömung notwendig. Bislang war eine solche Methode völlig unbekannt.

Bis zu 95 Prozent Einsparung an Pumpenergie versprechen Sie Betreibern von Öl- und Wasserpipelines. Welche Energiemenge verbirgt sich schätzungsweise dahinter?

Nein, das versprechen wir bestimmt nicht. 95 Prozent sind ein Wert, der definitiv nur im Labor für gerade, glatte Rohre gilt. In Pipelines entstehen auch hohe Energieverluste an Rohrkrümmungen, Ventilen, Absperrorganen und so weiter. Wieviel sich also in einer echten Pipeline einsparen lässt, versuchen wir zu ermitteln. Allerdings wären dort schon einige wenige Prozent ein schöner Erfolg und wirtschaftlich interessant. 

Wie praxistauglich ist die entwickelte Methode bereits?

Unsere Prototypen sind circa auf "Technology Readiness Level" 4. Die grundsätzliche Funktionstüchtigkeit unserer Technologie ist also nachgewiesen und im Labor mit funktionierenden Prototypen getestet. Das gilt jedoch nur für eher geringe Strömungsgeschwindigkeiten. Für hohe Geschwindigkeiten, so wie sie in Pipelines auftreten, bedarf es noch weiterer Entwicklungsarbeit.

Welcher Voraussetzungen bedarf es für ihre Nutzung in der Praxis? Gibt es Restriktionen bei der Nutzung?

Ja, es gibt leider gleich mehrere Restriktionen für eine Nutzung in Pipelines. Die erste und wesentlichste ist wohl, dass laminare Strömungen bei höheren Geschwindigkeiten sehr instabil werden, das heißt sie reagieren überaus empfindlich auf kleinste Störungen. Solche Störungen können durch Knicke und Kurven, Absperrorgane und Ventile aber sogar durch Schweißnähte in einer Pipeline hervorgerufen werden. Ein weiterer kritischer Punkt für eine mögliche Nutzung in der Praxis ist die Notwendigkeit, Pipelines regelmäßig zu reinigen und technisch zu inspizieren. Dies geschieht mit Hilfe sogenannter Molche, welche durch die Pipeline fahren. Einbauten zur Strömungsoptimierung müssten also so designt sein, dass sie die Molche nicht behindern. Es bedarf also noch einiges an Entwicklungsarbeit und guten Ideen, um die Methode praxistauglich zu machen.

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