Leitungsanschlüsse |
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1 |
Lufteintritt |
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2 |
Luftaustritt |
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3 |
Kühlwassereintritt |
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4 |
Kühlwasseraustritt |
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5 |
Zusatzwasser-Eintritt (Make-up) |
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6 |
Abflutwasser-Austritt (Purge) |
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7 |
Rauchgas-Eintritt (optional) |
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8 |
Reglereingang für Gütegrad (PACKPERF - als h) bzw. T4 |
Allgemeines Transiente Modellierung Vorgabewerte Verwendete Physik Bauteilform Beispiel
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:
Bauteil 111 ermöglicht die Modellierung transienter Fälle (zeitabhängige Berechnungen). Diese Berechnungsart wird mit dem Schalter FINST aktiviert.
Ein Kühlturm hat am meisten ein transientes Verhalten in der Kühlturmtasse, die als ein großer Wasserspeicher wirkts. Die Nasszone, gefüllt mit den Kühleinbauten, hat auch eine signifikante thermische Masse und wirkt als ein indirekter Speicher, der die Änderungen der Kühlwassertemperatur (z.B. während eines Lastwechsels) verzögert. Anschließend wirkt die Kühlturmgehäusewand auch als indirekter Speicher, der allerdings nur den Luftzustand am Kühlturmaustritt beeinflusst.
Transiente Simulationen des Kühlturms sind nur für den Ablaufbetrieb (FCIRC=1) und nicht für Hybrid-Modus (FHYBRID=0) möglich. Die Luftfeuchtigkeit am Austritt wird in der transienten Simulation des Kühlturms immer berechnet (FHUM=1).
Die Vorgabewerte für die transiente Modellierung sind in folgende Gruppen aufgeteilt.
Definition der Kühlturmtasse - hier werden die geometrischen Details der Kühlturmtasse spezifiziert. Die transiente Massen- und Energiebilanz der Kühlturmtasse werden unter der Annahme der homogenen Durchmischung des Wassers innerhalb der Kühlturmtasse berechnet. Abhängig vom Schalter FSPIN kann man entweder den Füllstand der Kühlturmtasse vorgeben (FSPIN=0) oder den Füllstand auf Basis der vorgegebenen Ein- und Austrittsmassenströme von Wasser (FSPIN=1) berechnen lassen.
Definition der Kühleinbauten - hier werden die geometrischen Details der Kühleinbauten (Nasszone) spezifiziert. Die Zone mit den Kühleinbauten wird durch folgende Parameter definiert: das Volumen der Nasszone WZVOL, der Leerraumvolumenanteil PHI und der spzifischen Oberfläche FV.
Wärmeübertragungskoeffizienten - in dieser Gruppe werden die Wärme- und Stofftransportkoeffizienten,, insbesondere für die Simulation der Verdunstung und der Wärmeübertragung in der Nasszone, spezifiziert. Die Wärmeübertragung zwischen Wasser und Luft wird mit dem Parameter ALPHIWAN in Design-Lastpunkt (definiert durch das Luft / Wasser-Verhältnis) festgelegt und mit den entsprechenden Parametern PACKFACT, PACKEXP, PACKPERF in Off-Design-Lastpunkten skaliert. Die Stofftransport (Wasserverdunstung in die Luft) wird mit dem Parameter BETAWAN in Design-Lastpunkt definiert und mit den entsprechenden Parametern PACKFACT, PACKEXP, PACKPERF in Off-Design-Lastpunkten skaliert. Es gibt zwei Alternativen den Stofftransport vorzugeben. Man kann entweder direkt den Wert BETAWAN vorgeben. Oder man definiert den Stofftransfer durch ALPHIWAN und den Lewis-Faktor LEF definiert als
\[ Le_f = \frac{\alpha}{\rho \beta c_p} \]
Hier sind \(\alpha\) und \(\beta\) jeweils der Wärme- und der Stoffübertragungskoeffizienten. \(\rho\) und \(c_p\) sind die Dichte und die Wärmekapazität der Luft.
Definition des Gehäuses - hier werden die geometrischen Details der Kühlturmgehäusewand spezifiziert.
Nach der Vorgabe der geometrischen Details eines Kühlturms kann man die Ergebnisse der stationären Merkel-Gleichung basierten Simulation, die im Bauteil 111 für die Nasszone implementiert ist, für stationäre Bedingungen (FINIT=1) reproduzieren. Dazu müssen die Parameter ALPHIWAN, BETAWAN (oder LEF) angepasst werden.
Im Fall der Identifikation - FIDENT > 0 - werden die Werte der Wärme- und der Stoffübertragungskoeffizienten Wasser-Luft (\(\alpha\) and \(\beta\)) angepasst um die vorgegebene Temperature T4 zu erfüllen.
FFU |
Schalter (Ein / Aus) =0: Aus (Keine Luftberechnung, vorgeben DT34N = T3 - T4) =1: Ein |
DT34N |
Kühlzonenbreite (nur für FFU = 0) |
FMODE |
Berechnungsmodus (Auslegung / Teillast) =0: Global |
FIDENT |
Komponentenidentifikation = 0: keine Identifikation, T4 wird vom Bauteil berechnet |
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: =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. =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. |
PWETZONE |
Parameter für Nasszone 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 =( k*A ) / (m*cp) |
AWR |
Trockene Luft / Wasser Verhältnis, Auslegung |
FPACKFACT |
Vorgabe der Pack-Charakteristik =0: Intern durch Vorgabewert |
PACKFACT |
Packungs-Charakteristik Faktor (C), Teillast |
EPACKFACT |
Ausdruck für Pack-Charakteristik-Funktion |
PACKEXP |
Packungs-Charakteristik Exponent (M), Teillast |
FPACKPERF |
Vorgabe des Gütegrades (Teillast) =0: Intern durch Vorgabewert |
PACKPERF |
Packungs-Charakteristik Gütegrad (K), Teillast |
EPACKPERF |
Ausdruck für Gütegrad |
FMERKEL |
Schalter für Merkel-Gleichung =0: Standard Merkel Gleichung |
FHUM |
Handhabung der Austritts-Feuchte aus der Nasszone =0: Nasszone - relative Austritts-Feuchte ist Benutzereingabe |
PHI2 |
Nasszone - Relative Feuchte Austrittsluft (FHUM=0) |
DRIFT |
Relative Sprüh-Verluste |
FCIRC |
Schalter für Wasserumlauf =0: Umlaufbetrieb: Geschlossener Kreislauf. Bestimme Zusatz- und Abflutwasserstrom über den Parameter COC |
COC |
Konzentrationszyklen (Eindickungszahl) im Umlaufbetrieb 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 =0: Druckverlust wird eingegeben |
PSTACK |
Stack Parameter Druckverlust (FSTACK=0) Wirksame Kaminhöhe (FSTACK=1) |
FCFWIND |
Vorgabe der Windkorrektur =0: Aus =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; begin if (n > 0) then WindSpeed:=internals[0].value; evalexpr := val; end; |
FHYBRID |
Schalter für Hybrid-Modus =0: Aus |
MGNPLUME |
Marge zur Schwadenbildung (FHYBRID=2) |
FHX |
Schalter für Wärmetauscher-Modus =0: Aus |
PHX |
Wärmetauscher-Parameter - 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) |
FINIT |
Anfangszustand
=0: GLOBAL, gesteuert über eine globale Variable "Instationärer Modus" unter Modell-Einstellungen =1: Erster Durchlauf =2: Folgedurchlauf |
SHEIG | Gehäusehöhe |
SVOL | Gehäusevolumen |
THWALL | Gehäusewanddicke |
RHOS | Dichte Gehäusewandwerkstoff |
LAMS | Wärmeleitfähigkeit Gehäusewandwerkstoff |
CS | Wärmekapazität Gehäusewandwerkstoff |
NFLS | Anzahl Punkte in Strömungsrichtung: trockene Zone |
WZVOL | Volumen Nasszone |
PHI | Anteil des freien Querschnitts / Leerraumvolumenanteil |
FV | Verhältnis äußere Oberfläche zu Volumen - spezifische Oberfläche der Kühleinbauten |
RHOFM | Dichte Kühleinbautenwerkstoff |
LAMFM | Wärmeleitfähigkeit Kühleinbautenwerkstoff |
CFM | Wärmekapazität Kühleinbautenwerkstoff |
NFLWZ | Anzahl Punkte in Strömungsrichtung: Nasszone |
FSPIN |
Schalter Instationärer Bilanzberechnungsmodus 0: Flüssigkeitslevel gegeben, Massenströme berechnet 1: Massenströme gegeben, Flüssigkeitslevel berechnet |
VF | Mittlerer flüssiger Volumentanteil (Flüssigkeitslevel) am Ende des Zeitschritts |
VMIN | Volumen bei Anteil flüssigen Volumens von 0 |
VMAX | Volumen bei Anteil flüssigen Volumens von 1 |
FLVCALC |
Berechnungsmodus für Flüssigkeitsvolumen 0: linear zwischen VMIN und VMAX 1: ELV verwenden |
ELV | Funktion zur Berechnung des Flüssigkeitsvolumens |
TWBEG | Temperatur in der Kühlturmtasse zu Beginn des Zeitschritts (relevant nur für transiente Zeitschritte) |
ALPHIS | Innerer Wärmeübertragungskoeffizient zwischen Luft und Gehäusewand |
ALPHIFP | Innerer Wärmeübertragungskoeffizient zwischen Wasser und Kühleinbauten |
ALPHIWAN | Innerer Wärmeübertragungskoeffizient zwischen Wasser und Luft (Nominalwert) |
FCALCMT |
Schalter Berechnung des Stofftransportkoeffizienten zwischen Wasser und Luft 0: Stofftransportkoeffizient berechnen auf Basis des Lewis-Faktor-Vorgabewertes (LEF) 1: use directly BETAWAN value and Off-design factors and exponents |
LEF | Lewis-Faktor Vorgabewert |
BETAWAN | Stofftransportkoeffizient zwischen Wasser und Luft (Nominalwert) |
ALPHO | Äußerer Wärmeübergangskoeffizient (zur Umgebung) |
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
Kennlinie 1, CWINDAIRFLOW: CF(Luftmassenstrom) = f (Windgeschwindigkeit) CF = Korrekturfaktor |
X-Achse 1 Windgeschwindigkeit 1. Punkt |
Kennlinie 2, CWINDCWTDT: dT (Kühlwassertemperatur) = f (Windgeschwindigkeit) |
X-Achse 1 Windgeschwindigkeit 1. Punkt Y-Achse 1 dT (Kühlwassertemperatur) 1. Punkt |
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.
Die Merkelzahl wird berechnet durch Integration der Merkel-Gleichung.
Herausfinden der entsprechenden Wasseraustrittstemperatur, um die gewünschte Merkelzahl zu erhalten.
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.
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).
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.
Im Design wird die Luftmenge über den Eingabeparameter AWR bestimmt. Die Beziehung zwischen Druckverlust und wirksamer Kaminhöhe H wird gegeben durch:
mit rho = Dichte und g = Gravitationskonstante
Im Off-Design wird der Druckverlust aus folgender Beziehung berechnet:
Der Luftstrom der trockenen und nassen Zone kann aus den folgenden Gleichungen ermittelt werden:
mit A = Querschnittsfläche:
und der Eliminierung von erhalten wir die endgültige Off-Design-Gleichung für die Luftmenge:
Form 1 |
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