EBSILON®Professional Online Dokumentation
(Entwicklungsstand: Release 11 Patch 02)
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Leitungsanschlüsse |
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1 |
Ansaugluft-Eintritt |
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Abgas-Austritt |
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3 |
Brennstoff-Eintritt |
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Leistung an den Generatorklemmen |
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Hochdruck-Kühlwasser-Eintritt |
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6 |
Hochdruck-Kühlwasser-Austritt |
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Durch Strahlung abzuführende Wärme (Motorkühlung) |
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8 |
Schmieröl-Eintritt |
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9 |
Schmieröl-Austritt |
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Sollwert für Schmieröl-Eintrittstemperatur |
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11 |
Last bzw. gewünschte Leistung |
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Allgemeines Vorgabewerte Kennlinien Verwendete Physik Bauteilform Beispiel
Dieses Bauteil wird in Zusammenarbeit mit der Firma Wärtsilä entwickelt und soll als Basis für eine Motoren-Bibliothek in Ebsilon dienen.
Das Modul stellt eine Einheit der Komponenten dar, die zum kleinstmöglichen Lieferumfang gehören.
Dies sind im Wesentlichen:
• Verbrennungsmotor einschließlich Turbolader
• Generator
• System zur Motorkühlung und Warmwasserbereitstellung
• Abwärmeradiatoren
Da es für den Kunden in der Realität nicht möglich ist, auf die interne Konfiguration dieser Komponenten Einfluss zu nehmen, werden sie auch in EBSILON als feste Einheit dargestellt.
Das Verhalten des Bauteils wird durch Kennlinien und Kennfelder festgelegt.
Für die Hochdruck-Kühlung (Anschlüsse 5 und 6), die Schmierung (Anschlüsse 8 und 9) und für die Brennstoffzufuhr (Anschluss 3) können weitere Fluidtypen verwendet werden.
Die Einstellung der möglichen Fluidtypen erfolgt über den Anschlusspunkt 5 bzw. 8 bzw. 3 am Bauteil.
Anschlusspunkt Eintritt Hochdruckkühlung mit rechter Maustaste anklicken.
Folgende Auswahlmöglichkeit wird angezeigt:
Hochdruck-Kühlung (Anschlüsse 5 Eintritt und 6): Wasser (flüssig)
Öl (mit vorgebbarer Zusammensetzung)
Benutzerdefiniert
Zweiphasenfluid (flüssig)
Salzwasser
Universalfluid
Binäres Gemisch
Öl / Schmelze (Polynom-basierte Eigenschaften)
Anschlusstyp ändern (Ein- und Austritt wird dem gewählten Fluidtyp angepasst)
Anschlusspunkt Eintritt Schmieröl mit rechter Maustaste anklicken. Folgende Auswahlmöglichkeit wird angezeigt:
Schmieröl (Anschlüsse 8 Eintritt und 9): Wasser (flüssig)
Öl (mit vorgebbarer Zusammensetzung)
Benutzerdefiniert
Zweiphasenfluid (flüssig)
Salzwasser
Universalfluid
Binäres Gemisch
Öl / Schmelze (Polynom-basierte Eigenschaften)
Anschlusstyp ändern (Ein- und Austritt wird dem gewählten Fluidtyp angepasst)
Brennstoffzufuhr (Anschluss 3 mit rechter Maustaste anklicken): Rohgas
Öl (mit vorgebbarer Zusammensetzung)
Kohle / Feststoff
Gas (Brenngas)
Benutzerdefiniert
Anschlusstyp ändern (Eintritt wird dem gewählten Fluidtyp angepasst)
Es gibt Kennlinien für (FCALC):
• den Brennstoffbedarf (MW(ch) bezogen auf unteren Heizwert) in Abhängigkeit von der elektrischen Generatorleistung, Kennlinie 5
• den Abgasmassenstrom in Abhängigkeit von der elektrischen Generatorleistung, Kennlinie 6
• die Verteilung der Niedertemperatur-Wärme (nutzbarer Anteil) in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur, Kennlinie 7
die Verteilung der Hochtemperatur-Wärme (nutzbarer Anteil) in Abhängigkeit von der Temperatur des Wassers zwischen den Wärmetauschern, Kennlinie 8
Die vorzugebenden Matrizen definieren ( FCALC = 0):
• die Abgastemperatur hinter Turbolader in Abhängigkeit von elektrischer Generatorleistung und Ansauglufttemperatur, MXT2
• die Austrittstemperatur des internen Kühlwassers an der Systemgrenze in Abhängigkeit von elektrischer Generatorleistung und Ansauglufttemperatur, MXTCOOLO
• die Eintrittstemperatur des Schmieröls an der Systemgrenze in Abhängigkeit von elektrischer Generatorleistung und Ansauglufttemperatur, MXTOILI
• den Wärmeverlust aus der komprimierten Luft, MXDQAIRDUMP
Die beiden letztgenannten Temperaturkennfelder geben prinzipiell die im jeweiligen Kühlkreislauf auskoppelbare Wärmeleistung an, da der interne Kühlmedien-Massenstrom sowie die jeweils nicht vorgegebene Temperatur unveränderlich sind.
Zur Steigerung der Genauigkeit der Ebsilon-Berechnung im Vergleich zu den Herstellerdaten wurde bei diesem Bauteil eine neue Berechnungsmethode (FCALC = “Abhitzewärmetauscher außerhalb der Komponente“) mit einer veränderten Bilanzgrenze implementiert. Im alten Modus wurden Abweichungen bis zu 5% festgestellt.
Im Modell wurden drei Kühl-Kreisläufe zugrunde gelegt:
• Hochtemperatur-Wasserkühlung
• Schmierölkühlung
• Niedertemperatur-Wasserkühlung
Betroffen von der Bilanzgrenzenverschiebung sind der Hochtemperatur-Wärmetauscher und der Schmieröl-Wärmetauscher. Diese waren über Kennlinien in das Bauteil integriert. Da Ebsilon jedoch in der Lage ist, Wärmetauscher erheblich genauer abzubilden, als dies über Kennlinien möglich ist, wurden diese beiden Wärmetauscher aus der Komponente herausgezogen. Bei der Modellierung muss der Anwender diese Wärmetauscher in sein Modell einbauen. Hierfür kann die Beispielschaltung als Vorlage dienen.
Der Niedertemperatur-Kühlkreislauf ist vollständig innerhalb des Bauteils 125 abgebildet, d.h. es gibt hierfür keine Anschlüsse nach außen. Die vom Motor an diesen Kreislauf abgegebene Wärme wird jedoch als Ergebniswert QLT ausgewiesen.
Auch die (optionale) Luftvorwärmung wird nicht mehr innerhalb des Bauteils behandelt, sondern muss durch einen separaten Wärmetauscher abgebildet werden.
In diesem Zusammenhang gab es auch einige Veränderungen im Bereich der Vorgabewerte, Kennlinien und Matrizen.
Vorgabewerte sind
• der Massenstrom durch den Hochtemperaturwärmetauscher (MCOOL), der an den Anschlüssen 5 und 6 des Bauteils 125 anliegt
• der Massenstrom durch den Schmierölwärmetauscher (MOIL), der an den Anschlüssen 8 und 9 des Bauteils 125 anliegt
• die Temperatur, mit der das Wasser aus Anschluss 6 des Bauteils 125 in den Hochtemperaturwärmetauscher strömt (TCOOLO)
• die Soll-Temperatur, mit der das Schmieröl vom Schmierölwärmetauscher in den Anschluss 8 des Bauteils 125 strömt (TOILI).
Da sich diese Temperatur durch den externen Schmierölwärmetauscher ergibt, kann sie nicht vom Bauteil 125 gesetzt werden, sondern wird
auf einen Logikausgang (Anschluss 10) ausgegeben, um eine Regelung zu ermöglichen (siehe unten)
• die zusätzlichen Wärmeverluste (QLOSS)
Kennlinien gibt es für Berechnungstyp FCALC = 1 (Abhitzewärmetauscher außerhalb der Komponente)
• die zugeführte Brennstoffwärme (CQFUEL), Kennlinie 1
• die elektrische Leistung (CQEL), Kennlinie 2
• die vom Schmieröl abgeführte Wärme (CQOIL), Kennlinie 3
• die Austrittstemperatur des Schmieröls (CTOILO) an Anschluss 9 des Bauteils 125, Kennlinie 4
Vorzugebende Matrizen sind (Berechnungstyp FCALC = 1) :
• der Abgasmassenstrom in Abhängigkeit von Last und Lufteintrittstemperatur (MXM2)
• der Abgastemperatur in Abhängigkeit von Last und Lufteintrittstemperatur (MXT2)
• die im Hochtemperatur-Wärmetauscher abgeführte Wärme in Abhängigkeit von Last und Lufteintrittstemperatur (MXQHT)
• die im Niedertemperatur-Wärmetauscher abgeführte Wärme in Abhängigkeit von Last und Lufteintrittstemperatur (MXQLT)
Für die Wärtsilä-Motoren 18V50SG_A und 20V34SG_C2 sind die Daten in der Standard-Datenbank hinterlegt.
Zu beachten ist, dass es für den Hochtemperatur-Wärmetauscher eine interne Bypass-Regelung gibt, während für den Schmieröl-Wärmetauscher ein Bypass im Modell abgebildet werden muss. Zu diesem Zweck wird am Anschluss 10 ein Regelsignal bereitgestellt, das die erforderliche Rücklauftemperatur des Schmieröls angibt. Im Auslegungsfall kann der Wärmetauscher auf diese Temperatur ausgelegt werden. Im Teillastmodus regelt man eine Umfahrung, um die geforderte Temperatur einzustellen.
Anhand der Wärmebilanzen berechnet das Bauteil die im Radiator abzugebende Wärme. Um unrealistische Ergebnisse auszuschließen, kann ein Mindest-Wärmeverlust (QLOSSMIN) vorgegeben werden. Wird dieser unterschritten, wird eine Warnung ausgegeben.
Die Energiebilanzierung erfolgt in folgender Weise:
Von der gesamten Wärme, die der Motor an den Hochtemperatur-Kühlkreislauf abgibt (Ergebniswert QCWI), wird ein Teil (Ergebniswert DQCOOLH) für den externen Hochtemperatur-Wärmetauscher verwendet, der Rest (DQCOOLD) muss an die Umgebung abgeführt werden.
Von der gesamten Wärme, die der Motor an den Öl-Kühlkreislauf abgibt (Ergebniswert QOIL), wird ein Teil (Ergebniswert DQOILH) für den externen Öl-Wärmetauscher verwendet, der Rest (DQOILD) muss an die Umgebung abgeführt werden.
Die Summe dieser beiden Verluste wird als Ergebniswert QDUMP ausgewiesen:
QDUMP = DQCOOLD + DQOILD
Für diesen Wert wird die Einhaltung des Mindest-Wärmeverlusts (QLOSSMIN) überprüft.
Die Strahlungsverluste QRAD ergeben sich aus der Gesamt-Energiebilanz des Bauteils:
QRAD=QFUEL-QEXH- QCWI-QOIL-QLT-QLOSS-QEL
mit
QFUEL= M3*NCV3 (zugeführte latente Brennstoffwärme)
QEXH = M2*H2 – M1*H1 – M3*H3
(Differenz aus der vom Abgas abgeführten Wärme und
der Zufuhr an (fühlbarer) Wärme durch Luft und Brennstoff)
QLOSS: im Vorgabewert QLOSS spezifizierte zusätzliche Verluste
QEL: erzeugte elektrische Leistung
Mit dem Schalter FOP besteht die Möglichkeit, zwischen Normalbetrieb (Strom und Wärme, FOP=0) und reinem elektrischen Betrieb (FOP=1) umzuschalten. In letzterem werden die Massenströme zu den beiden externen Wärmetauschern auf 0 gesetzt.
Mit dem Schalter FLOAD kann die Lastvorgabe umgestellt werden zwischen
• Grundlast aus CQEL (0)
• Vorgabe der gewünschten Leistung an Anschluss 11 (1)
• Vorgabe des Lastfaktors an Anschluss 11 (2).
Sowohl bei FLOAD=0 als auch bei FLOAD=2 wird die Kennlinie CQEL verwendet, die die elektrische Leistung (als absoluten Wert) in Abhängigkeit des Lastfaktors angibt. Für FLOAD=0 wird die Leistung verwendet, die sich für einen Lastfaktor = 1 ergibt. Für FLOAD=2 wird die Leistung verwendet, die sich für den an Anschluss 11 (als Enthalpie) angegebenen Lastfaktor ergibt.
Für FLOAD=1 wird die Kennlinie CQEL nicht verwendet, stattdessen wird direkt die an Anschluss 11 angegebene Leistung verwendet.
Vereinfachungen
Das Modul im gegenwärtigen Entwicklungsstand ist in einigen Punkten gegenüber dem tatsächlichen Motorverhalten vereinfacht:
1.) Bei ungünstigen Betriebsbedingungen kann die maximal erreichbare Motorleistung und damit auch die Effizienz beeinträchtigt werden („Derating“). Dieses Verhalten ist nicht
berücksichtigt, da es für die in Deutschland üblichen Betriebsbedingungen in der großen Mehrheit der Anwendungsfälle nicht relevant ist. Ursachen für das Derating können sein:
• zu geringe Methanzahl des Erdgases (erhöht die Klopfneigung)
• zu hohe Ansauglufttemperatur (verringert den Durchsatz des Turboladers, erhöht die Klopfneigung)
• zu geringer Erdgasversorgungsdruck (verringert das in den Zylinder einfüllbare Brennstoffvolumen)
• zu geringer Erdgasheizwert (verringert die im Zylinder freigesetzte Wärmemenge)
• zu geringer Umgebungsluftdruck (verringert den Durchsatz des Turboladers, erhöht die Klopfneigung)
2.) Vernachlässigung sämtlicher Druckverluste
3.) Vernachlässigung von Ladeluftübersättigung
4.) keine Prüfung auf kritische / unzulässige Betriebszustände
Vorgabe von Spannung und Frequenz, Stromtyp im Bauteil:
Es gibt die Möglichkeit Spannung (VOLT), Frequenz (FREQ) und Stromtyp (NPHAS) als Vorgabewert im Bauteil vorzugeben.
Über die Schalter FVOLT und FFREQ wird eingestellt, ob die Vorgabe durch die neuen Vorgabewerte VOLT bzw. FREQ erfolgen soll (0) oder als Messwerte (Spannung und Frequenz)
auf die Elektroleitung (-1) gesetzt werden.
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FCALC |
Schalter für Berechnungstyp Ausdruck =0: Abhitzewärmetauscher innerhalb der Komponente =1: Abhitzewärmetauscher außerhalb der Komponente (Erweiterung) |
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FLOAD |
Schalter für Lastvorgabe Ausdruck =0: Grundlast (aus CQEL) =1: Gewünschte Leistung auf Anschluss 11 (als Enthalpie) gegeben =2: Gewünschte Teillast auf Anschluss 11 (als Enthalpie) gegeben (aus CQEL) |
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FOP |
Schalter für Betriebsart Ausdruck =0: Elektrische Leistung und Wärme =1: nur elektrische Leistung |
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MCOOL |
Hochtemperatur-Kühlwassermassenstrom |
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TCOOLO |
Hochtemperatur-Kühlwasser-Austrittstemperatur |
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MOIL |
Schmieröl-Massenstrom |
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TOILI |
Schmieröl-Eintrittstemperatur |
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QLOSS |
Zusätzliche Wärmeverluste |
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QLOSSMIN |
Mindest-Wärmeverlust |
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P3MIN |
Mindestbrennstoffdruck (veraltet, für FCALC =0) |
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PCOOLI |
Hochtemperatur-Kühlwasser-Eintrittsdruck |
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TCOOLI |
Hochtemperatur-Kühlwasser-Eintrittstemperatur |
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TOILO |
Schmieröl-Austrittstemperatur |
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CPOIL |
Spezifische Wärme des Öls |
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FAIRPREH |
Vorwärmung der Eintrittsluft Ausdruck =0: Aus =1: EIN |
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TAIRPREH |
Vorwärm-Temperatur |
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FVOLT |
Schalter für die Methode zur Vorgabe der Spannung Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: durch Vorgabewert VOLT =-1: Spannung von außen auf Elektroausgang gegeben |
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VOLT |
Spannung (auf Elektroleitung) |
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FFREQ |
Schalter für die Methode zur Vorgabe der Frequenz Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Vorgabewert FREQ verwenden =-1: Frequenz von außen auf Elektroausgang gegeben |
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FREQ |
Generatorfrequenz |
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NPHAS |
Stromtyp Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck =0: Gleichstrom =1: 1-Phasen-Wechselstrom |
Die blau markierten Identifikationswerte sind Referenzgrößen für den Teillastmodus. Die Ist-Teillastwerte beziehen sich in den verwendeten Gleichungen auf diese Größen.
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
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Kennlinie 1 CQFUEL : Brennstoffleistung am Eintritt QFUEL = f (Lastfaktor) |
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X-Achse 1 Lastfaktor 1. Punkt 2 Lastfaktor 2. Punkt . N Lastfaktor letzter Punkt Y-Achse 1 QFUEL 1. Punkt 2 QFUEL 2. Punkt . N QFUEL letzter Punkt
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Kennlinie 2 CQEL: Elektrische Leistung QEL = f (Lastfaktor) |
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X-Achse 1 Lastfaktor 1. Punkt 2 Lastfaktor 2. Punkt . N Lastfaktor letzter Punkt Y-Achse 1 QEL 1. Punkt 2 QEL 2. Punkt . N QEL letzter Punkt
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Kennlinie 3 CQOIL: Schmierölwärme QOIL = f (Lastfaktor) |
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X-Achse 1 Lastfaktor 1. Punkt 2 Lastfaktor 2. Punkt . N Lastfaktor letzter Punkt Y-Achse 1 QOIL 1. Punkt 2 QOIL 2. Punkt . N QOIL letzter Punkt
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Kennlinie 4 CTOILO: Austrittstemperatur Schmierölkreislauf TOILO = f (Lastfaktor) |
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X-Achse 1 Lastfaktor 1. Punkt 2 Lastfaktor 2. Punkt . N Lastfaktor letzter Punkt Y-Achse 1 TOILO 1. Punkt 2 TOILO 2. Punkt . N TOILO letzter Punkt
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Kennlinie 5 CQ3NCV: Veraltet Brennstoffbedarf bezogen auf Heizwert (für FCALC=0) Q3NCV = f (Q4) |
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X-Achse 1 Q4 1. Punkt 2 Q4 2. Punkt . N Q4 letzter Punkt Y-Achse 1 M3*NCV 1. Punkt 2 M3*NCV 2. Punkt . N M3*NCV letzter Punkt
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Kennlinie 6 CM2 : Veraltet Abgasmassenstrom (für FCALC=0) M2 = f (Q4) |
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X-Achse 1 Q4 1. Punkt 2 Q4 2. Punkt . N Q4 letzter Punkt Y-Achse 1 M2 1. Punkt 2 M2 2. Punkt . N M2 letzter Punkt
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Kennlinie 7 CDISTHTLOW : Veraltet Verteilung der Niedertemperatur-Wärme (für FCALC=0), Niederdruckwärme (nutzbarer Anteil) = f(TIM) DQOIL_WATER =DQOIL* f (TIM) |
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X-Achse 1 TIM 1. Punkt 2 TIM 2. Punkt . N TIM letzter Punkt Y-Achse 1 ND-Wärme (nutzb. Ant.) 1. Punkt 2 ND-Wärme (nutzb. Ant.) 2. Punkt . N ND-Wärme (nutzb. Ant.) letzter Punkt
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Kennlinie 8 CDISTHTHIGH: Veraltet Verteilung der Hochtemperatur-Wärme (für FCALC=0), Hochdrucktemperaturwärme (nutzbarer Anteil) =f(T5) DQCOOL_WATER =DQCOOL* f (T5) |
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X-Achse 1 T5 1. Punkt 2 T5 2. Punkt . N T5 letzter Punkt Y-Achse 1 HD-Wärme (nutzb. Ant.) 1. Punkt 2 HD-Wärme (nutzb. Ant.) 2. Punkt . N HD-Wärme (nutzb. Ant.) letzter Punkt
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Wenn (FAIRPREH=0 oder T1>TAIRPREH)
Tref = T1
sonst
Tref = TAIRPREH
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Kennfeld 1 MXM2 : (Abgasmassenstrom) M2= f (Tref, Lastfaktor) |
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Kennfeld 2 MXT2 : (Abgastemperatur) T2= f (Tref, Lastfaktor) |
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Kennfeld 3 MXQHT : (Wärme Hochtemperaturkreislauf) QHT= f (Tref, Lastfaktor) |
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Kennfeld 4 MXQLT : (Wärme Niedertemperaturkreislauf) QLT= f (Tref, Lastfaktor) |
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Kennfeld 5 veraltet (FCALC= 0) MXTCOOLO: (Austrittstemperatur des internen Kühlwassers) TCOOLO = f (Tref, Q4) |
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Kennfeld 6 veraltet (FCALC= 0) MXTOILI: (Eintrittstemperatur des Schmieröls) TOILI= f (Tref, Q4) |
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Kennfeld 7 veraltet (FCALC= 0) MXDQAIRDUMP: (Wärmeverlust aus der komprimierten Luft) DQAIR_DUMP = f (Tref, Q4) |
1.) Konstanten
2.) Kennlinien mit einer Eingangs- und einer Ausgangsgröße
Das Verhalten des Bauteils wird durch Kennlinien und Kennfelder bestimmt.
3.) Kennfelder mit zwei Eingangs- und einer Ausgangsgröße
MXT2 - Abgastemperatur hinter Turbolader in Abhängigkeit von
MXTCOOLO - Austrittstemperatur des internen Kühlwassers an der Systemgrenze in Abhängigkeit von
MXTOILI - Eintrittstemperatur des Schmieröls an der Systemgrenze in Abhängigkeit von
MXDQAIRDUMP - Wärmeverlust aus der komprimierten Luft in Abhängigkeit von
Die beiden letztgenannten Temperaturkennfelder geben prinzipiell die im jeweiligen Kühlkreislauf auskoppelbare Wärmeleistung an, da der interne Kühlmedien-Massestrom sowie die jeweils nicht vorgegebene Temperatur unveränderlich sind.
Erforderliche Vorgaben:
1.) Stromerzeugungsleistung (gegenwärtig zwischen 4840kW (50%) und 9730kW (100%))
2.) Fernheizwasser (am Eintritt)
3.) Ansaugluft
4.) Gas
Wärme, die aufgrund der vorgegebenen und resultierenden Temperaturverhältnisse nicht ausgekoppelt werden kann, wird in der Praxis über Radiatoren abgeführt. In einer der nächsten Versionen kann dieser Wert zusätzlich angegeben werden.
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Alle Betriebsfälle |
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Q3NCV = f(Q4) aus Kennlinie M2 = f(Q4) aus Kennlinie (3) M1 = M2 - M3 (1) M6 = M5 (4) P6-P5 = 0 (5) Wenn (FAIRPREH=0 oder T1>TAIRPREH) HCOOLI = f(PCOOLI,TCOOLI) aus Stoffwertetafel DQCOOL_DUMP = DQCOOL-DQCOOL_WATER
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Form 1 |
Klicken Sie hier >> Bauteil 125 Demo << um ein Beispiel zu laden.