Bauteil 118: Direkter Speicher

Vorgaben

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Allgemeines

Das Bauteil „Direkter Speicher” beschreibt einen Tank, der mit einem Fluid gefüllt werden kann. Massen- und Energiebilanz sind so berechnet, dass sie ein Speichersystem für Wärmeenergie darstellen. Die besondere Eigenschaft dieses Bauteils besteht in seiner transienten Funktionalität. EBSILON^®Professional simuliert den Lade- und Entladevorgang dieser Einrichtung. In Kombination mit dem Zeitreihenberechnungsdialog können transiente Berechnungen des Wärmespeichersystems modelliert werden.

Wenn das transiente Verhalten nicht aktiviert ist, fungiert das Bauteil einfach als Interrupt für Masse, Druck und spezifische Enthalpie.

Nomenklatur

Die folgenden Ausdrücke werden benutzt, um den Speicherstatus zu verschiedenen Zeitpunkten zu beschreiben:

• "Ist" bezeichnet die Situation zu Beginn der Zeitintegration
• "Neu" bezeichnet die Situation am Ende der Zeitintegration   

Der Zustand des Speichers (Füllstand, Druck, Temperatur) ist  über Vorgabe- und Ergebniswerte zugänglich.
Um auch während der Berechnung (beispielsweise für eine Regelung) auf diese Größen zugreifen zu können, wurden zwei logische Ausgänge ergänzt .

Auf Ausgang 3 werden die Zustände zu Beginn des Zeitintervalls ausgegeben:

• Relativer Füllstand (=(LEVACT-LEVMIN)/(LEVMAX-LEVMIN) ) als Massenstrom
• Druck im Speicher (=PSTO) als Druck
• Temperatur im Speicher (=TSTO) als Enthalpie
  

Auf Ausgang 4 werden die Zustände am Ende des Zeitintervalls ausgegeben:

• Relativer Füllstand (=(LEVNEW-LEVMIN)/(LEVMAX-LEVMIN) ) als Massenstrom
• Druck im Speicher (=PNEW) als Druck
• Temperatur im Speicher (=TNEW) als Enthalpie 
   

Hinweis: eine Veränderung dieser Größen im Laufe der Berechnung hat nichts mit dem zeitlichen Verlauf zu tun, sondern mit dem Verlauf der Iteration. 
   

Kernel Expression für PSTO

Der zeitabhängige Vorgabewert PSTO kann zusätzlich durch eine Kernel Expression vorgegeben werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Speicherdruck iterativ aus dem restlichen Modell heraus zu übernehmen (z.B. erforderlich bei der Verwendung als Anfahrflasche). Die Koppelung über die Zeitschritte an den Ergebniswert PNEW entfällt in diesem Modus.

Logikanschluss für Massenstromanforderung

Bei diesem Bauteil kann der Lade- als auch der Entlade-Massenstrom von außen vorgegeben werden. Wenn aufgrund des aktuellen Speicherzustands diese Vorgaben nicht erfüllbar waren, wurde eine Fehlermeldung ausgegeben.

Es ist auch möglich, auf dem Logikanschluss 5 den gewünschten Massenstrom aus dem Speicher vorzugeben. Ist dieser Wert negativ, bezieht er sich (betragsmäßig) auf den Massenstrom in den Speicher hinein. Zur Aktivierung der Vorgabe dient der Schalter FM:

• FM = -1: Beide Massenströme werden von außen gegeben
• FM = 1: Beide Massenströme werden gemäß Wunschwert an Anschluss 5 und Füllstand gesetzt

Bei FM=-1 kann der Speicher gleichzeitig beladen und entladen werden. Bei FM=1 wird beim Laden der Entlade-Massenstrom und beim Entladen der Lade-Massenstrom auf 0 gesetzt.

Massenstromreduzierung bei Erreichen der Füllstandsgrenze

Bei Vorgabe des Massenstrom-Wunschwertes (FM=1) kann mit dem Schalter FTIMELIM eingestellt werden, was bei einer Zeitreihenrechnung geschehen soll, wenn der Speicher die untere oder die obere Füllstandsgrenze erreicht:

• Bei FTIMELIM=0 wird der Massenstrom soweit reduziert, dass der Massenstrom während des gesamten Zeitintervalls konstant bleiben kann.
• Bei FTIMELIM=1 wird der gewünschte Massenstrom voll geliefert und berechnet, wie lange der Betrieb so möglich ist. Das Zeitintervall wird dann entsprechend aufgesplittet. Dieser Modus ist auch immer aktiv, wenn die Massenströme von außen vorgegeben sind.

Vorgabewerte

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

Ergebniswerte

Verwendete Physik

Gleichungen

Festlegung des MIN, MAX Füllstands des Speichers 

Der Nutzer hat die folgenden Optionen um den unteren und oberen Grenzwert des Speicherfüllstands festzulegen. Wenn der Füllstand diese Grenzwerte überschreitet, erfolgt eine Aktion in der Zeit-Integrations-Routine. Der Nutzer hat mehrere Optionen, um die MIN/MAX Werte des Speichers vorzugeben. Am Ende werden nur massenbasierte Werte MMIN und MMAX benutzt. Dieselben Vorgabewerte LEVMIN, LEVMAX werden für die Nutzereingabe benutzt. Über das Flag FLEV kann die physikalische Bedeutung dieser Werte geändert werden (Beachten Sie, dass gegebene Werte in LEVMIN und LEVMAX nicht in die neue Einheit übertragen werden wenn das Flag FLEV geändert wird). Wenn der Nutzer die Grenzwerte nicht in Form von Massenwerten eingibt (FLEV=3), berechnet das Programm den entsprechenden MMIN und MMAX Wert.

Die erste Option ist, die MIN/MAX Werte direkt vorzugeben indem  

• FLEV=3: Massengrenzwerte festgelegt: MMIN=LEVMIN und MMAX=LEVMAX .

Da MMIN und MMAX Vorgabewerte sind, haben die Grenzwerte einen konstanten Wert, unabhängig vom Wärmezustand im System. Die anderen Optionen erlauben dem Nutzer, einen bestimmten Füllstand oder Volumen als unteren oder oberen Grenzwert festzulegen. Aufgrund der zustandsabhängigen Dichte (wenn nicht die konstante Dichte rho=RHO durch FRHO=1ausgewählt wird), werden die resultierenden Massengrenzwerte MMIN und MMAX zu Beginn des Intervalls von der Temperatur TSTO (und möglicherweise dem Druck PSTO) abhängen. Das könnte nützlich sein, wenn der Speicher ein konstantes Volumen hat, das eine von der Dichte des Fluids abhängige Massenkapazität haben kann.

Die verbleibenden Optionen sind:

• FLEV=2: Festlegung hinsichtlich Volumina (MMIN=LEVMIN*rho, MMAX=LEVMAX*rho).
• FLEV=1: Festlegung hinsichtlich Speicherhöhe (MMIN=LEVMIN*ASECT*rho, MMAX=LEVMAX*ASECT*rho)
• FLEV=0: Festlegung bezüglich eines vollen Zustands (MMIN=LEVMIN*MCAP, MMAX=LEVMAX*MCAP). Der volle Zustand kann durch das Flag FFILL festgelegt werden:
  • FFILL=0: : Masse bei Volllast berechnet aus Höhe, Querschnitt und Dichte (MCAP=HEIGHT*ASECT*rho)
  • FFILL=1: Masse bei Volllast berechnet aus Volumen und Dichte (MCP=VCAP*rho)
  • FFILL=2: Masse bei Volllast vorgegeben durch MCAP

In allen Fällen kann die Dichte rho gegeben werden als   

• FRHO=0: Dichte rho berechnet aus dem Wärmezustand im Speicher (abhängig von Temperatur und Druck)
• FRHO=1: Dichte ist konstant bei rho=RHO.

Daher sind die berechneten Grenzwerte MMIN und MMAX in den folgenden Kombinationen konstant:

• FLEV=0 und FFILL=0,1 wenn FRHO=1 oder wenn bei FRHO=0 die berechnete Dichte konstant ist
• FLEV=0 und FFILL=2
• FLEV=1,2 wenn FRHO=1 oder wenn bei FRHO=0 die berechnete Dichte konstant ist
• FLEV=3

Durch Schaltungsparameter festgelegte Berechnungsarten

Bauteil 118 bietet in Zusammenarbeit mit der EBSILON^®Professional Zeitreihenberechnung die Möglichkeit transienter Simulation. Durch die Schaltungsvariable „Zeitbearbeitung” (im Dialog „Extras“->„Modelleinstellungen“->„Simulation“->"Instationär" Kombobox "Behandlung zeitabhängiger Vorgänge") kann der Nutzer drei Arten auswählen:

• „Momentanen Zustand beibehalten" : Das Bauteil fungiert als Quelle für Druck und Temperatur für Ausströmung „2“. Es gibt keine Auswirkung von Einströmung „1“ auf Ausströmung „2“. Obwohl die Schnittstellen kein transientes Verhalten sehen, berechnet das Bauteil die Zeit RTIME, die die Zeit angibt, bis der Speicher den MAX oder MIN Wert basierend auf dem einlaufenden oder abgehenden Massenstrom erreichen würde.
• „Zustand nach maximal möglicher Zeit berechnen" : Das Bauteil führt eine transiente Simulation über ein Intervall aus, welches endet, wenn der Speicher den MIN oder MAX Grenzwert erreicht. Wenn mehrere Bauteile 118 in der Schaltung benutzt werden, endet das Intervall, wenn das erste Speichermodell seinen Grenzwert erreicht.
• „Zustand nach vorgegebener Zeit (höchstens maximal möglicher Zeit) berechnen" : Das Bauteil führt eine transiente Simulation über ein Intervall aus, das durch den Parameter „Zeit Maximum“ in demselben Schaltungsparameterdialog vorgegeben wird. Im Falle dass der obere oder untere Grenzwert dieses oder eines anderen Bauteils 118 innerhalb des Intervalls erreicht wird, wird die Berechnung in diesem Augenblick gestoppt.

Transienter Berechnungsablauf

Identifizierung des Integrations-Zeitintervalls

In Abhängigkeit von den Einstellungen der transienten Berechnung (s. voriger Abschnitt) wird das Zeitintervall, über das die Integration ausgeführt wird, durch eine dieser Methoden abgeleitet:

• Das Programm legt die Zeit fest, die nötig ist, um den MIN oder MAX Grenzwert von einem der Tanks in der Schaltung zu erreichen. Deshalb legt das Programm die einzelnen Zeiträume RTIME für jedes Speicherbauteil in der Schaltung fest. Das Zeitintegrations-Intervall ist dann TIMEINT=min(RTIME(i)), mit i als Index aller Speicherbauteile in der Schaltung.
• In Falle dass der Nutzer einen Maximalzeitwert „Zeit Maximum” durch Auswählen von „Maximum festlegen” festgelegt hat, wird das Minimum des oben berechneten Zeitintervalls und der benutzerdefinierte Wert „Zeit Maximum” als Zeitintegrations-Intervall TIMEINT benutzt.

Bitte beachten Sie, dass die Berechnung des Zeitintervalls auf den Werten zu Beginn des Zeitintervalls beruht.  Insbesondere die Grenzwerte werden auf Grundlage der Speicherdichte zu Beginn des Zeitintervalls ausgewertet. Falls der Wärmezustand des Speichers sich aufgrund einer Änderung von Enthalpie/Temperatur ändert, wird die neue Dichte nicht für die Berechnung der MIN/MAX Werte berücksichtigt.

Massenbilanz

Während des Integrations-Zeitintervalls sind die einlaufenden und abgehenden Massenströme MLD (Massenstrom Laden) und MUNLD (Massenstrom Entladen) konstant. Daher wird die neue Masse im Speicher berechnet als

MNEW = MACT + MLD * TIMEINT - MUNLD * TIMEINT .

Die Werte MLD * TIMEINT und MUNLD * TIMEINT werden dem Nutzer geliefert als Ergebniswerte MLDTOT und MUNLDTOT.

Energiebilanz

Da die detaillierte Konfiguration des Speichersystems dem Programm nicht bekannt ist, wird eine Annahme benutzt, um den endgültigen Energiezustand zu berechnen. Es wird angenommen dass in einem ersten Schritt der Speicher mit dem Massenstrom MLD und der Enthalpie HLD geladen wird, daher

H_STEP1 = (MACT * HSTO + MLD * HLD * TIMEINT) / (MACT + MLD * TIMEINT)  

In einem zweiten Schritt werden die Wärmeverluste an die Umgebung auferlegt. Wärmeverluste werden berechnet aus:

QLOSS = QLOSSR*( 0.5 * (TSTO+TNEW) - TAMB ) * TIMEINT

wobei TSTO die Ist-Temperatur des Speichers (zu Beginn des Intervalls) und TNEW=T(PNEW, HNEW) die neue Temperatur des Speichers ist. Die Enthalpie H_STEP1 wird durch die Wärmeverluste korrigiert als

HNEW=H_STEP1 - QLOSS/MMEAN

Die letzten zwei Gleichungen werden in einem Iterationsverfahren gelöst, um einen konsistenten neuen Zustand HNEW zu finden. MMEAN bezeichnet dabei die über den Zeitschritt gemittelte Fluidmasse im Speicher.

Der dritte Schritt im Berechnungsprozess ist der Entladevorgang, wobei die Masse der Enthalpie 0.5*(HST0+HNEW) aus dem Speicher entnommen wird.

Impulsbilanz

Der Druck im Speicher und der Entladeleitung „2” ist benutzerdefiniert bei Parameter PSTO. Der Druck bei Einströmungsleitung „1“ hat keine Auswirkung auf den Berechnungsablauf.

Speichermodell und Zeitreihenberechnungsdialog

EBSILON^®Professional  bietet neben der konventionellen „Berechnungs-“Funktionalität auch die Option, eine Zeitreihe zu simulieren. Diese Funktion ist insbesondere für die Nutzung gemeinsam mit dem Speicherbauteil 118 bestimmt.  Innerhalb des Zeitreihendialogs gibt der Nutzer zumindest einen Wert für LEVACT fest vor. Wenn die Zeitreihenberechnung als transienter Berechnungsmodus aktiviert ist, schreibt EBSILON^®Professional automatisch diesen Wert in Bauteil 118 hinein und führt eine Berechnung über das Zeitintervall durch, das durch die Schaltungsvariable „Zeitbearbeitung“ festgelegt ist. Die Ergebniswerte wie neuer Füllstand LEVNEW und Temperatur TNEW werden dann durch den Zeitreihendialog in der entsprechenden Spalte gelesen. Falls die Temperatur im Speicher sich im Verlauf der Zeit durch die einströmende Masse ändert, kann für den nächsten Schritt die Temperatur am Ende des Zeitintervalls in Bauteil 118 hinein geschrieben werden.

Wenn der Speicher seinen minimalen oder maximalen Füllstand innerhalb des Integrations-Zeitintervalls erreicht, wird eine zusätzliche Zeile in den Zeitreihendialog eingefügt. Die neue Zeile hat den Zeitstempel von dem Moment, in dem der Speicher seinen Grenzwert erreicht. Die Schaltung muss sicherstellen, dass Massenströme umgeleitet werden, wenn der Speicher voll- oder leer gelaufen ist. 

Bauteilform

Form 1

Beispiel

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