Entwicklung einer netzbasierten Methodik zur Modellierung von Prozessen der Verdunstungskühlung

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1 Institut für Energietechnik - Professur für Technische Thermodynamik Entwicklung einer netzbasierten Methodik zur Modellierung von Prozessen der Verdunstungskühlung Tobias Schulze , DBFZ Leipzig

2 Inhalt des Vortrags Einleitung Vorstellung des Versuchskühlturms Methodik / Simulationsprogramm Ergebnisse Ausblick Zusammenfassung Folie 2

3 Einleitung Versuchskühlturm an der TU Dresden Forschungsprojekt: Optimierung des Kühlprozesses Schwerpunkt auf der Entwicklung neuartiger Einbauten Durchführung von Messungen am Versuchskühlturm Parallel Simulation des Prozessverlaufs Erstellung eines eigenen Simulationsprogramms Folie 3

4 Inhalt des Vortrags Einleitung Vorstellung des Versuchskühlturms Methodik / Simulationsprogramm Ergebnisse Ausblick Zusammenfassung Folie 4

5 Versuchskühlturm Offener Gegenstromkühlturm Erfassung aller Ein- und Ausgangsgrößen von Luft und Wasser Thermische, hydraulische und akustische Vermessung von Kühlturmeinbauten Charakterisierung von Kühlturmeinbauten über Bestimmung der Merkel-Zahl Entwicklung und Test von Wasserverteilungssystemen Folie 5

6 Inhalt des Vortrags Einleitung Vorstellung des Versuchskühlturms Methodik / Simulationsprogramm Ergebnisse Ausblick Zusammenfassung Folie 6

7 Methodik / Simulationsmodell Vorgehen Gleichungsorientierte Simulation durch Trennung von Funktion (Tropfenmodell) und Struktur (Systemmodell) Charakterisierung der Phänomene der Verdunstungskühlung Die physikalischen Vorgänge werden zuerst isoliert in einem Einzelsystem (Tropfenmodel) betrachtet Verschaltung der Einzelsysteme zu einem Gesamtsystem (Systemmodell) Diese Kopplung der Tropfenmodelle zu einer formalen Netzstruktur bildet das Simulationsmodell des Kühlturms Folie 7

8 Methodik / Simulationsmodell Vorgehen Der Kühlturm wird in eine endliche Anzahl von Teilmodellen zerlegt (Dekomposition der Modellierungsaufgabe) Mathematische Beschreibung der Wärme- und Stofftransportphänomene (Tropfenmodell) Aufstellen der Energie- und Massebilanz Definition der Struktur und Eigenschaften der Kopplungen Lösen der Modellgleichungen Aufbereitung und Darstellung der Lösungsvektoren Folie 8

9 Methodik / Simulationsmodell Teilsystem Tropfenmodell WASSER m E W, t E W m A L, t A L, A L LUFT Eintritt: Massestrom Temperatur Austritt: Massestrom Temperatur A Eintritt: Massestrom Temperatur Rel. Feuchte Austritt: Massestrom Temperatur Rel. Feuchte m A W, t A W m E L, t E L, E L Folie 9

10 Methodik / Simulationsmodell Teilsystem Tropfenmodell mögliche Transportvorgänge für Masse Folie 10

11 Methodik / Simulationsmodell Teilsystem Tropfenmodell Gegenseitige Wechselwirkung von Stoff- und Wärmetransport Iterative Lösung (NEWTON-Verfahren) Alle Nichtlinearitäten werden über eine modifizierte Betriebscharakteristik* linearisiert: Die Temperaturdifferenz T W beschreibt die zusätzliche Abkühlung bzw. Erwärmung durch Verdunstung bzw. Kondensation * BOSNJAKOVIC, Fran: Technische Thermodynamik Teil 1., Steinkopff-Verlag Darmstadt, 1999 Folie 11

12 Methodik / Simulationsmodell Systemmodell Betrachtung der gekoppelten Teilsysteme als Netzstruktur Flexible Modellerstellung durch beliebige Verschaltungen Beispiel: Beschreibung über: Strukturmatrix S Inputmatrix I Outputmatrix O Folie 12

13 Methodik / Simulationsmodell Systemmodell Für Zellausgangstemperaturen gilt: Für Systemausgangstemperaturen gilt: Dies führt zu einem stationären linearen Gleichungssystem in der Form: Iterative Lösung über SOR Bestimmung des Fehlers (RMS) Anschließend Anpassen der Eingangsgrößen Folie 13

14 Methodik / Simulationsmodell Beispiel Modellierung eines gemessenen Kühlturmzustands Leerer Kühlturm (ohne Einbauten) Gemessene Eintrittsgrößen: t L = 2,23 C m Pkt,L = 2,81 kg/s t W = 30,76 C m Pkt,W = 2,77 kg/s L = 0,716 p U = 1,037 bar Randbedingungen der Simulation: Knoten 540 Elemente Manuelle Kalibrierung von,, A Konvergenzziel RMS Folie 14

15 Inhalt des Vortrags Einleitung Vorstellung des Versuchskühlturms Methodik / Simulationsprogramm Ergebnisse Ausblick Zusammenfassung Folie 15

16 Ergebnisse Temperaturen Abkühlung des Wassers z 10 K Wasser Erwärmung der Luft Symmetrisches Temperaturfeld Energiebilanz: Q W 115 kw Q L Q D 50 kw 65 kw Luft Folie 16

17 Ergebnisse Temperaturen Temperatur in C Wasser Luft Höhe des Kühlturms in mm Folie 17

18 Ergebnisse Verlauf der Masseströme 2,84 Massestrom in kg/s 2,82 2,8 2,78 2,76 2,74 Wasser Luft 2, Höhe des Kühlturms in mm m 0,025 kg/ s Folie 18

19 Ergebnisse Relative Luftfeuchte 0,95 0,9 rel. Luftfeuchte 0,85 0,8 0,75 phil 0, Höhe des Kühlturms in mm Luftaustrittszustand kann bestimmt werden Luft Schnelle Sättigung der Luft im unteren Abschnitt des Kühlturms Folie 19

20 Ergebnisse Vergleich mit Messdaten Folie 20

21 Ergebnisse Vergleich mit Messdaten bei gemessener Feuchtkugeltemperatur t F Folie 21

22 Ergebnisse Erfahrungen Simulation liefert plausible Ergebnisse Die gemessenen Fälle können simuliert werden Bilanzen gehen sehr gut auf ( ) Rechendauer (noch) zu hoch Ergebnisse konvergieren problemlos bis zu einem Fehler von (RMS) Flexible Modellerstellung durch Systemmodell möglich (Darstellung von Kühlturmeinbauten) Folie 22

23 Inhalt des Vortrags Einleitung Vorstellung des Versuchskühlturms Methodik / Simulationsprogramm Ergebnisse Ausblick Zusammenfassung Folie 23

24 Ausblick Beschleunigung des Simulationsprogramms: Implementierung auf C++ Optimierung einzelner Algorithmen Ermöglicht eine größere Anzahl an Elementen Integration von Geometrien der Struktureinbauten Variation der Geometrie, Optimierung der Einbauten Weitere Validierung durch Messdaten (z. B. Fall Kondensation) Folie 24

25 Zusammenfassung Es wurde ein Simulationsmodell erstellt, welches die grundlegenden Phänomene der Verdunstungskühlung darstellen kann Erste Berechnungen zeigen plausible Ergebnisse und weisen das Funktionsprinzip des Modells nach Die Zustände von Luft und Wasser innerhalb des Kühlturms können bestimmt werden inkl. Luftaustrittszustand Das Programm muss hinsichtlich Elementanzahl und Stabilität weiter entwickelt werden Darstellen von Einbauten Zukünftig ergeben sich mit der Weiterentwicklung des Programms in Kombination mit Versuchsmessungen interessante Forschungsaspekte Folie 25

26 Vielen Dank für Ihr Interesse! Folie 26

27 Backup ANSYS CFX - Strömungssimulation Folie 27

28 Backup ANSYS CFX Folie 28

29 Backup ANSYS CFX Folie 29

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