Three-dimensional flow simulations on twin-screw pumps operated in pump mode and reverse mode as control valves for energy recovery

Abstract

In dieser Arbeit wird die Leistungsfähigkeit von Schraubenspindelpumpen im Rückwärtsbetrieb zur Energierückgewinnung analysiert, die durch herkömmliche Regelventile in Rohrleitungssystemen dissipiert wird. Instationäre 3D-Strömungssimulationen mit Overset-Grid-Technik werden durchgeführt. Die Pumpeneigenschaften werden für Wasser und Öl untersucht, im Turbinenbetrieb nur für Öl. Eine Spaltströmungsanalyse wird durchgeführt, um den Einfluss des Flanken- und Umfangsspaltes auf die Gesamtspaltströmung zu quantifizieren. Eine Couette-Strömung wird in den Spalten durch Spindeldrehung beobachtet, wodurch Drehzahl und Drehrichtung der Spindeln erhebliche Auswirkung auf die Spaltströmung im Ölbetrieb haben. Bei Wasser hat die Couette-Strömung nur minimalen Einfluss auf die Spaltströmung. Der Einsatz von Schraubenspindelpumpen als Turbinen für hochviskose Flüssigkeiten ermöglicht eine Energierückgewinnung von bis zu 50 %, die bei Regelventilen dissipiert wird.This thesis investigates the performance of twin-screw pumps operating in turbine mode, i.e., reverse mode, to recover energy that is typically wasted by using conventional control valves in piping systems. Unsteady 3D flow simulations are conducted utilizing an overset grid technique. Pump mode characteristics are analyzed for water and oil. In turbine mode, the analysis focuses solely on oil. Gap flow analysis is performed and the importance of the flank and circumferential gap to the total gap flow is pointed out. A kind of Couette flow is observed within the gaps due to spindle rotation, causing a significant influence of the spindles’ rotational speed and direction on gap flow in oil. For water, this Couette flow shows minimal influence on gap flow. The analyses performed in this thesis reveal that employing twin-screw pumps as turbines for high-viscosity fluids can potentially recover up to 50% of the energy instead of dissipating it by using conventional control valves