O+P Fluidtechnik 3/2019

PRÜFSTANDENTWICKLUNG
FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED
16 Massenstrom für 1 000 bar Relativdruck über den
17 1 500 bar Relativdruck über den Mikrospalt, Messreihe 1,
Mikrospalt (Messreihe 1)
2 und 3
Masse in g
Zeit in s
Differenzdruck Messreihe 1 Messreihe 2 Messreihe 3 Mittelwert Standardabweichung
1 000 bar 0,42 g/s 0,41 g/s 0,43 g/s 0,42 g/s 0,01 g/s 2,5 %
1 500 bar 0,75 g/s 0,74 g/s 0,79 g/s 0,76 g/s 0,02 g/s 2,5 %
2 000 bar 1,09 g/s 1,11 g/s 1,16 g/s 1,12 g/s 0,03 g/s 2,5 %
Tabelle 02: Auswertung der Massenströme von 1 000 bis 2 000 bar Differenzdruck
der Temperatur abhängige Größe nach Gl. 03 in den Druckaufbau
mit eingeht, werden die Abweichungen im Temperaturverlauf über
der Spaltlänge größer. Der betragsmäßig größte Fehler im Druckverlauf
findet sich an Messstelle B (x = 10,5 mm) mit ± 18 bar und im
Temperaturverlauf an Messstelle C mit ± 1,9 °C. Für diese und alle
folgenden Betrachtungen bezieht sich der Fehler auf ein 68 % Intervall
innerhalb der Normalverteilung.
In Bild 16 ist der Massenstrom des Fluides durch den
Mi-krospalt über der Zeit aufgetragen. Das Rohsignal ist aufgrund
der Verwendung einer Dehnungsmessstreifenwaage mit einem
Hintergrundrauschen behaftet. Daher wird das Rohsignal durch
eine lineare Regressionsrechnung ausgewertet. Über die Steigung
der Regressionsgeraden kann der Massenstrom ermittelt werden,
welcher aus dem Mikrospalt tritt. Dieser beträgt bei 1 000 bar
Druckdifferenz 0,42 g/s für Messreihe 1.
In Bild 17 und Bild 18 sind die Druck- und Temperaturverläufe
für 1 500 bar und 2 000 bar Relativdruck dargestellt. Die Abweichungen
zwischen den drei Messreihen zeigen ähnliche Tendenzen und
Beträge wie bei 1 000 bar. Ein auf 1 500 bar oder 2 000 bar steigender
Vordruck ändert die Charakteristik des Druckabbaus über den Spalt
nicht signifikant. Der Verlauf der Temperatur ist auch bei höheren
Eingangstemperaturen nichtlinear.
Bemerkenswert ist die Steigerung der Auslasstemperatur des
Mikrospalts. Im Fall eines Einlassdrucks von 1 000 bar wird eine
Temperatursteigerung ΔT, zwischen Einlass und Auslass, von
durchschnittlich 33 °C erreicht. Diese wächst mit der Erhöhung
des Drucks. 1 500 bar beziehungsweise 2 000 bar Einlassdruck
resultieren in einer Temperaturerhöhung des Fluids von 57 °C beziehungsweise
80 °C. Der Effekt der starken Temperaturerhöhung
über den Mikrospalt wurde im Vorfeld vorausgesagt und bestätigt
sich in den experimentellen Untersuchungen.
Die Auswertung des Massenstroms über den Mikrospalt für
1 000 bar, 1 500 bar und 2 000 bar Relativdruck ist in Tabelle 02
zusammengefasst. Bemerkenswert ist, dass die Massenströme
eine geringe Abweichung zueinander besitzen. Weiterhin ist die
Druck in bar
Spaltkoordinate x in mm
Standardabweichung der Massenströme innerhalb der Druckstufen
nahezu identisch bei 2,5 % bezogen auf den Mittelwert, insbesondere
vor dem Hintergrund der stärker voneinander abweichenden
Temperaturverläufe entlang der Spaltlänge. Im Fall des Massenstroms
durch den Mikrospalt kommen zwei primäre Effekte zum
Tragen: Zum einen der Effekt der Aufweitung des Flachspalts,
welcher den Durchfluss in der dritten Potenz erhöht, siehe Gl. 03.
Zum anderen unterliegt der Flachspalt einer Verengung aufgrund
der Temperaturerhöhung über der Spaltlänge. Dies resultiert aus
den positiven Materialausdehungskoeffizienten der Stahlwerkstoffe
des Grundkörper und des Gegenkörper. Insbesondere die lokale
Erwärmung mit hohen örtlichen Gradienten hat hier einen signifikanten
Einfluss. Unter der Wirkung der Schraubenvorspannung
erzeugt eine Erwärmung der Körper eine entsprechende Erhöhung
der Vorspannung und somit eine Verkleinerung der Spalthöhe.
Weiterhin kommt das nichtlineare Temperatur- und Druckviskositätsverhalten
des Fluides hinzu. Es bleibt zu prüfen, inwiefern die
sinkende Vorspannung durch die Erwärmung der Schrauben hier
einen gegenläufigen Effekt zur Folge hat.
Das Zusammenspiel dieser komplexen Effekte erlaubt zunächst
keine trennscharfe Unterscheidung und erfordert weitere Untersuchungen
des Spalts und eine deutlich umfassendere Analyse der
experimentellen Ergebnisse. Im Hinblick auf die Rückabstraktion
des Flachspalts zum Rundspalt kann an dieser Stelle bereits die
Aussage getroffen werden, dass die genannten Effekte auch im Fall
des Runddichtspalts einer Hochdruckpumpe zum Tragen kommen.
Insbesondere bei der simulativen Abbildung der tribologischen
Kontakte ist dies zur Sicherung der Vorhersagetreue des
Rechenmodells von zentraler Bedeutung.
Eine umfangreichere Auswertung und Validierung des Experiments
ist Gegenstand folgender Publikationen. Hierbei wird insbesondere
auf den Vergleich mehrerer simulativer und analytischer
Ansätze zur Beschreibung des tribologischen Systems und deren
Validierung anhand des Prüfstands eingegangen. Dies kann einen
tieferen Einblick in den Prüfstand und das komplexe Zusammen-
Temperatur in °C
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