Bauteil 111: Naturzug-Kühlturm (Merkel)

Vorgaben

Leitungsanschlüsse
1	Lufteintritt
2	Luftaustritt
3	Kühlwassereintritt
4	Kühlwasseraustritt
5	Zusatzwasser-Eintritt (Make-up)
6	Abflutwasser-Austritt (Purge)
7	Rauchgas-Eintritt (optional)
8	Reglereingang für Gütegrad (PACKPERF - als h) bzw. T4

Allgemeines Vorgabewerte Verwendete Physik Bauteilform Beispiel

Allgemeines

Bauteil 111 simuliert einen Naturzug-Kühlturm mit einer Gegenstrom-Nasskühlzone. Das Modell der Nasskühlzone basiert auf der Merkel-Gleichung (z.B. VDI Wärmeatlas, Abschnitt Mj).

Für diese Kühltürme gibt es ab Release 11 einen Identifikationsmodus.
Über das Flag FIDENT wird gesteuert, ob
• die Kühlwasseraustrittstemperatur T4 berechnet werden soll (FIDENT=0)
• die Kühlwasseraustrittstemperatur T4 vorgegeben und der Luftstrom berechnet werden soll (FIDENT=1)
• die Kühlwasseraustrittstemperatur T4 vorgegeben und die Merkel-Zahl berechnet werden soll (FIDENT=2)
Es besteht auch die Möglichkeit, eine Windkorrektur vorzugeben.

Für den Pack-Charakteristik-Faktor C, den Gütegrad K und die Windkorrektur kann auch eine Kernelexpression angegeben werden.

Die Merkel-Kühltürme können jetzt auch im INTMAT-Modus (Integration der Material-Daten in das Gleichungssystem) verwendet werden. Damit ist nun auch für Schaltungen, die diese Bauteile enthalten, eine Stoffdatenvalidierung möglich.

Anmerkungen:

Es gibt einen Gütegrad PACKPERF, mit dem man eine Änderung der Kühlturmgüte simulieren kann. Dieser Parameter wurde über eine Logikleitung zugänglich gemacht, so dass eine Einregelung möglich ist.

Hinweis zur T4-Vorgabe:

T4-Vorgabe auf dem Reglereingang (Anschluss 8) im Identifikationsmodus 1 und 2
T4-Vorgabe als Spezifikationswert im Bauteil (Vorgabewerte): Mittels Schalter FWETZONE =0 und damit als Wert in PWETZONE

Vorgabewerte

FFU	Schalter (Ein / Aus) Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Aus (Keine Luftberechnung, vorgeben DT34N = T3 - T4) =1: Ein
DT34N	Kühlzonenbreite (nur für FFU = 0)
FMODE	Berechnungsmodus (Auslegung / Teillast) Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Global = 1: Lokale Teillast =-1: Lokale Auslegung
FIDENT	Komponentenidentifikation Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck = 0: keine Identifikation, T4 wird vom Bauteil berechnet = 1: T4 wird auf der Leitung vorgegeben, identifiziere Luftdurchsatz. Das Bauteil passt den Luftdurchsatz so an, dass diese Temperatur erreicht wird. = 2: T4 wird auf der Leitung vorgegeben. identifiziere Merkelzahl Das Bauteil passt die Merkelzahl so an, dass diese Temperatur erreicht wird.
FWETZONE	Schalter für die Auslegung der Nasszone: Die Auslegung der Nasszone erfolgt über einen charakteristischen Parameter WETZONE. Der Schalter FWETZONE legt fest, wie dieser Parameter interpretiert werden soll: Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: PWETZONE wird als Wasseraustrittstemperatur (T4) interpretiert. Daraus wird dann die Merkelzahl berechnet. Diese ist das Integral der Merkel’schen Hauptgleichung über die Wassertemperatur. Die Integrationsgrenzen sind die Wassereintritts- und die Wasseraustrittstemperatur der Nasszone. =1: PWETZONE wird als Temperatur-Annäherung (Approach-Temperatur) zwischen dem Wasseraustritt (T4) und der Feuchtkugeltemperatur (TWB1) der Eintrittsluft interpretiert. Die Feuchtkugeltemperatur ist deshalb die Kühlgrenztemperatur (die bei unendlich großer Fläche erreichbar wäre), da durch die Verdunstung des Wassers eine zusätzliche Abkühlung unter die Lufteintrittstemperatur erfolgen kann. Die Temperatur-Annäherung wird auch als Kühlgrenzabstand bezeichnet. Er wird üblicherweise mit 5 K festgelegt, in der Praxis trifft man Kühlgrenzabstände zwischen 4 K und 7 K an. Aus dem Kühlgrenzabstand wird T4 und daraus dann wie bei FWETZONE=0 die Merkelzahl bestimmt. =2: PWETZONE wird als Merkel-Zahl (Me) interpretiert. In diesem Fall ist die Wasseraustrittstemperatur als Integrationsgrenze zu finden, damit das Integral der Merkel’schen Hauptgleichung die gewünschte Merkelzahl ergibt. =3: PWETZONE wird als NTU („number of transfer units“) interpretiert. Daraus ergibt sich die Merkelzahl zu *Me = NTU AWR mit dem Luft/Wasser-Verhältnis AWR = M4 / M1_trocken**. Aus der Merkelzahl wird dann wie bei FWETZONE=2 die Wasseraustrittstemperatur berechnet.
PWETZONE	Parameter für Nasszone Kühlwasseraustrittstemperatur T4 (für FWETZONE=0) Temperaturannäherung (Approach-Temperatur) der Nasszone an die Kühlgrenztemperatur (für FWETZONE=1) Merkel Zahl (für FWETZONE=2) NTU-Zahl (für FWETZONE= 3) : Physikalische Kennzahl (dimensionslos), Definition : NTU =( kA ) / (mcp)
AWR	Trockene Luft / Wasser Verhältnis, Auslegung
FPACKFACT	Vorgabe der Pack-Charakteristik Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Intern durch Vorgabewert =1: PACKFACT= Port_8.P/(1 bar) =2: Ausdruck EPACKFACT
PACKFACT	Packungs-Charakteristik Faktor (C), Teillast
EPACKFACT	Ausdruck für Pack-Charakteristik-Funktion evalexpr:REAL; begin // TODO: calculate return value and set val to it evalexpr:=1.0; end;
PACKEXP	Packungs-Charakteristik Exponent (M), Teillast
FPACKPERF	Vorgabe des Gütegrades (Teillast) Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Intern durch Vorgabewert =1: PACKFACT= Port_8.H/(1 kJ/kg) =2: Ausdruck EPACKPERF
PACKPERF	Packungs-Charakteristik Gütegrad (K), Teillast
EPACKPERF	Ausdruck für Gütegrad evalexpr:REAL; begin // TODO: calculate return value and set val to it evalexpr:=1.0; end;
FMERKEL	Schalter für Merkel-Gleichung Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Standard Merkel Gleichung =1: Erweiterte Merkel Gleichung
FHUM	Handhabung der Austritts-Feuchte aus der Nasszone Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Nasszone - relative Austritts-Feuchte ist Benutzereingabe =1: Nasszone - relative Austritts-Feuchte wird berechnet
PHI2	Nasszone - Relative Feuchte Austrittsluft (FHUM=0)
DRIFT	Relative Sprüh-Verluste
FCIRC	Schalter für Wasserumlauf Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Umlaufbetrieb: Geschlossener Kreislauf. Bestimme Zusatz- und Abflutwasserstrom über den Parameter COC =1: Ablaufbetrieb: Offener Kreislauf. Kein Zusatz- und Abflutwasserstrom.
COC	Konzentrationszyklen (Eindickungszahl) im Umlaufbetrieb Warnung: Gemäß VGB R 455 P gilt: COC = Zusatzwassermenge / Abflutwassermenge = Z / A Dies ist eine Vereinfachung, welche nicht für die Bauteile 111/112 gilt, da in diesen die tatsächliche Aufkonzentration unter Berücksichtigung der mit den Sprühverlusten (DRIFT) ausgetragenen Salze zugrunde gelegt wird.
FSTACK	Schalter für Stack-Modus Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Druckverlust wird eingegeben =1: Wirksame Kaminhöhe wird eingegeben
PSTACK	Stack Parameter Druckverlust (FSTACK=0) Wirksame Kaminhöhe (FSTACK=1)
FCFWIND	Vorgabe der Windkorrektur Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Aus =1: Intern durch Vorgabewert CFWIND =2: Intern durch Vorgabewert CWTDT =3: Airflowfaktor = Port_8.M/(1 kg/s) =4: Kühlwasser Austritt Offset = Port_8.M/(1 kg/s)(1K) =5: Kennlinie CWINDAIRFLOW, Windgeschwindigkeit x= Port_8.M/(1 kg/s)(1m/s) =6: Kennlinie CWINDCWTDT, Windgeschwindigkeit x= Port_8.M/(1 kg/s)*(1m/s) =7: Ausdruck ECFWIND korrigiert Luftdurchsatz (Faktor) =8: Ausdruck ECFWIND korrigiert Kühlwassertemperatur (dT)
CFWIND	Vorgabe Windkorrekturfaktor für Luftdurchsatz (Faktor)
CWTDT	Vorgabe Windkorrektur - dT für Wassertemperatur
ECFWIND	Ausdruck für Windkorrekturfaktor function evalexpr:REAL; var val:real; internals:array of InternalValue; n:integer; i:integer; WindSpeed:real; comp111: ebscomp111; begin internals := keGetInternals(); n := length( internals ); { for i := 0 to n-1 do begin println( internals[i].name, ": ", internals[i].value ); end; } if (n > 0) then WindSpeed:=internals[0].value; comp111 := ebscomp111(keGetComp); if comp111.FCFWIND = 7 then begin val:= 1; // Faktor end else begin val := 0; // offset end; // println( "Return Value: ", val ); evalexpr := val; end;
FHYBRID	Schalter für Hybrid-Modus Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Aus =1: Manuelle Eingabe =2: Marge zur Schwadenbildung einstellen (Temperaturannäherung)
MGNPLUME	Marge zur Schwadenbildung (FHYBRID=2)
FHX	Schalter für Wärmetauscher-Modus Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Aus =1: Effektivität =2: Temperaturänderung, aktiv bei FHYBRID = 1 =3: Fläche
PHX	Wärmetauscher-Parameter - Effektivität (wenn FHX=1) - Temperaturänderung (wenn FHX=2) - Fläche (wenn FHX=3)
WATRAT	Verhältnis Trockenzone / Gesamtwasserstrom
AIRRAT	Verhältnis Trockenzone / Gesamtluftstrom
KAIR	Luftseitiger Wärmeübergangskoeffizient
KWAT	Wasserseitiger Wärmeübergangskoeffiizient
FOUL	Foulingfaktor
PLGASEXP	Off-design Exponent Gasseite
PLWATEXP	Off-design Exponent Wasserseite
HXFRAC	Aktiver Anteil des Wärmeübertragers (Off-Design)
AWRN	Luft zu Wasser - Verhältnis (nominal)
MERKELN	Merkel-Zahl (nominal)
DP12N	Luftseitiger Druckabfall (nominal)
HSTACKN	Wirksame Kaminhöhe (nominal)
RHO1N	Umgebungsluftdichte
PHI1RAT	Umgebungsluftfeuchtigkeitsverhältnis
PHI2RAT	Luftaustrittsfeuchtigkeitsverhältnis
RHO2	Luftaustrittsdichte
M2N	Austrittsluftstrom (nominal)
MDRYWZ	Nasszone-Trockenluftmassenstrom
MAIRHXN	Wärmeübertragungsluftmassenstrom (nominal)
MWATHXN	Wärmeübertragungswassermassenstrom (nominal)
KNAIR	Luftseitiger Wärmeübergangskoeffizient (nominal)
KNWAT	Wasserseitiger Wärmeübergangskoeffizient (nominal)
AHX	Wärmetauscherfläche
VMSTACK	Kamin-Volumenstrom

Die blau markierten Identifikationswerte sind Referenzwerte für Teillastberechnungen. Die Ist-Teillastwerte beziehen sich auf die in den Gleichungen verwendeten Werte.
Generell sind alle sichtbaren Eingaben erforderlich. Häufig werden jedoch Standardwerte zur Verfügung gestellt.

Für weitere Informationen über die Farbe der Eingabefelder und ihre Beschreibungen siehe Komponenten bearbeiten\Vorgabewerte

Für weitere Informationen über Auslegung vs. Teillast und Nominalwerte siehe Allgemeines\Nominalwerte übernehmen

Kennlinien

Kennlinie 1, CWINDAIRFLOW: CF(Luftmassenstrom) = f (Windgeschwindigkeit)

CF = Korrekturfaktor

    X-Achse      1          Windgeschwindigkeit                     1. Punkt
                        2          Windgeschwindigkeit                     2. Punkt
                        .
                      N         Windgeschwindigkeit                      letzter Punkt

    Y-Achse      1          CF (Luftmassenstrom)                    1. Punkt
                        2          CF (Luftmassenstrom)                    2. Punkt
                                                                   .
                        N         CF (Luftmassenstrom)                    letzter Punkt

Kennlinie 2, CWINDCWTDT: dT (Kühlwassertemperatur) = f (Windgeschwindigkeit)

    X-Achse       1          Windgeschwindigkeit                     1. Punkt
                         2          Windgeschwindigkeit                     2. Punkt
                        .
                      N          Windgeschwindigkeit                      letzter Punkt

    Y-Achse       1          dT (Kühlwassertemperatur)           1. Punkt
                         2          dT (Kühlwassertemperatur)           2. Punkt
                                                                   .
                        N          dT (Kühlwassertemperatur)             letzter Punkt

Verwendete Physik

Der Naturzugkühlturm besteht aus vier Zonen, welche in folgendem Bild schematisch dargestellt sind. Diese Zonen sind die nasse Kühlzone, die trockene Kühlzone, das Kühlturmbecken und der Kamin.

Die trockene Kühlzone kann durch den Anwender aktiviert werden (FHYBRID). Im Auslegungsmodus wird die Verteilung von trockenem zu nassem Kühlbetrieb durch die Strömungsverhältnisse von Luft und Wasser zwischen trockener und nasser Zone, die Größe der nassen Zone, sowie die Größe des Wärmetauschers festgelegt.

Die Physik der trockenen Zone wird entsprechend den Regeln für einen normalen Luft/Wasser Kreuzstromwärmetauscher beschrieben, und die Physik der nassen Kühlzone entsprechend den Regeln der Merkel-Gleichung.

Die Teillast-Leistung der nassen Zone ist eine Kenngröße der Merkel-Zahl in Abhängigkeit vom Trockenluft/Wasser-Verhältnis.

Ein Zugmodell beschreibt das Verhältnis zwischen Kaminhöhe, Kamineintrittszustand (d.h. die Luftaustrittstemperatur der Kühlzonen) und Luft. Als Sonderfunktion ist es möglich, Rauchgas zur Steigerung des Zugs beizumischen.

Nasszone

Design:

Wasseraustrittstemperatur gegeben:

Die Merkelzahl wird berechnet durch Integration der Merkel-Gleichung.

Merkelzahl gegeben:

Herausfinden der entsprechenden Wasseraustrittstemperatur, um die gewünschte Merkelzahl zu erhalten.

Off-Design:

Über die Beziehung: Me = MeDesign * K*C*(AWR/AWRDesign)^m wird die aktuelle Merkelzahl errechnet. Dann findet ein Solver den entsprechenden Wasseraustritt für diese Merkelzahl. K, C und m sind definiert als PACKPERF, PACKFACT und PACKEXP.

Integration der Merkel’schen Hauptgleichung:

Wird die Nasszonen-Austrittsfeuchte vom Benutzer gesetzt (FHUM=0) kann die Merkelzahl mittels Quadraturformel bestimmt werden. Eine Umsetzung von Algorithmus 699 aus TOMS; TRANSACTIONS ON MATHEMATICAL SOFTWARE, BAND 17, NR. 4, DEZEMBER 1991, S. 457-461 wird verwendet.

Wenn die Nasszonenaustrittsfeuchtigkeit berechnet wird (FHUM=1), muss ein System gewöhnlicher Differentialgleichungen gelöst werden. Hier wird ein Runge-Kutta-Verfahren der Ordnung 5 verwendet (Dormand-Prince).

Wärmetauscher

Der Wärmetauscher wird mit einem Durchgang modelliert nach der NTU-Effectiveness Methode (VDI Wärmeatlas, Sektion Ca; "Compact Heat Exchangers" von W.M. Kays und A.L. London)

Die Off-Design Beziehung für die Wärmeübertragungskoeffizienten lautet

luftseitig:
k _{Gas Off-Design} = k _{Gas Design} *(v _{Gas Off-Design} / v _{Gas Design})^m1 (Default m1=0.8, m1 entspricht PLGASEXP))

wasserseitig:
k _{Wasser Off-Design} = k _{Wasser Design} *(v _{Wasser Off-Design} / v _{Wasser Design})^m2 (Default m2=0.8, m2 entspricht PLWATEREXP)

Die Dichte des Wassers wird als konstant angenommen.

Kamin und Luftmenge

Design:

Im Design wird die Luftmenge über den Eingabeparameter AWR bestimmt. Die Beziehung zwischen Druckverlust und wirksamer Kaminhöhe H wird gegeben durch: