Entwicklung und Validierung einer energieeffizienten Druckpulsmethode mit sinus- und rechteckförmigen Druckverläufen bis 15 Hz und 1300 bar (EffDruPu)

Problemstellung
Alle fluidführenden Bauteile, wie z. B. Ventile, Schläuche, Sensoren aber auch Kühlkanäle von elektronischen Bauteilen, müssen Druck aushalten können, um während der Gebrauchsdauer nicht beschädigt zu werden und damit Gefahren von Anwender und Maschinen abzuwenden. Oftmals schwankt der Druck und es kommt zu sehr kritischen Druckspitzen. Daher werden schon bei der Entwicklung und der Fertigung der Bauteile Druckpulsversuche durchgeführt. Der Druck wechselt dabei periodisch zwischen einem Minimum und Maximum. Der Druckverlauf ist dabei typischerweise sinus- oder trapezförmig. Bei den Versuchen wird bislang ein großer Teil der benötigten Energie für die Kompression des Prüffluides aufgebracht. Damit geht bis zu 100 Prozent der Energie verloren. Deshalb sind Druckpulsprüfungen besonders energieintensiv. Die meisten am Markt angebotenen Prüfstände bedienen sich eines linear arbeitenden Druckübersetzers. Durch den intermittierenden Betrieb kommt es zu Beschleunigungs- und Verzögerungsverlusten. Anwender von Druckpulsversuchen streben kürzere Versuche an und damit eine Erhöhung der Pulsfrequenz. Aktuelle hydraulische Druckpulslösungen sind jedoch auf eine theoretische Pulsfrequenz von etwa 10 Hz begrenzt.

Zielsetzung
Ziel des KMU-innovativ Projekts EffDruPu ist die Entwicklung eines Ansatzes zur Generierung von Druckpulsen, mit dem das energieeffiziente Druckpulsen mit sinus- und trapezförmigen Druckverläufen möglich ist. Dazu wird ein mathematischer Reihenansatz aus der Signaltheorie herangezogen. Durch die Übertragung des Ansatzes auf die Generierung von Druckpulsen kann ein Großteil der Kompressionsflüssigkeit eingespart werden. Außerdem besteht die Möglichkeit der Energierekuperation. Erste Berechnungen ergeben eine deutliche Reduktion des Primärenergieeinsatzes aufgrund des deutlich reduzierten Kompressionsvolumens und eine deutliche Erhöhung der Pulsfrequenz.

Vorgehensweise
Im Projekt wird der mathematische Ansatz aus der Signaltheorie auf den Anwendungsfall Druckpulsen überführt. Dazu wird ein umfangreiches Simulationsmodell erarbeitet, welches alle relevanten physikalischen und technischen Zusammenhänge abbildet. Das Modell wird für ausführliche Parameterstudien herangezogen. Dadurch werden die Einsatzgrenzen und die relevanten Gestaltungsparameter ermittelt. Die Ergebnisse der Simulation fließen in die Konzeptionierung und den Aufbau eines Versuchsträgers ein, der zur Validierung der Modellierung bestimmt ist.

Ergebnisse und Anwendungspotentzial
Mit dem im Projekt erforschten Ansatz zur energieeffizienten Generierung von Druckpulsen werden zwei Herausforderungen der Anwender gelöst: eine Einsparung von bis zu 70 Prozent der Energie und die Erhöhung der Pulsfrequenz. Mögliche Mehrkosten amortisieren sich dadurch relativ schnell. Da seit 2015 Anfragen von Druckpulsprüfanlagen zunehmen, ist mit einem guten Markterfolg bei erfolgreichem Projektabschluss zu rechnen. Eine Übertragbarkeit der Ergebnisse, beispielweise in die Hydraulikbranche, wie z. B. bei hydraulischen Pressen oder Antrieben für Traktoren, ist darüber hinaus denkbar.

• Johannes Schäfer GmbH