Bauteil 152: Elektrischer Kompressionskühler

In diesem Thema

Vorgaben

Anschlüsse
1	Eintritt der Wärmequelle (abzukühlender Strom)
2	Austritt der Wärmequelle (abzukühlender Strom)
3	Eintritt der Wärmesenke (aufzuheizender Strom)
4	Austritt der Wärmesenke (aufzuheizender Strom)
5	Stromversorgung
6	Kondensataustritt
7	Logikleitung (für Teillastregelung von außen)

Allgemeines Vorgabewerte Kennlinien Vorgabematrizen Bauteilphysik Beispiel

Allgemeines

Mit der Komponente 152, dem elektrischen Kompressionskühler, kann der Benutzer die Leistung und den Energieverbrauch eines Kältemaschinensystems auf der Basis von elektrisch angetriebenen Kompressionskältemaschinen modellieren. Die Berechnung des Energieverbrauchs basiert auf Kurven. Default-Kurven sind integriert als Standardwerte für spezifische auf dem Markt erhältliche Wärmepumpen.

Vorgabewerte

FMODE	Berechnungsmodus (Auslegung /Teillast) Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck... =0: wie global eingestellt =1: lokale Teillast (d.h. immer Teillast-Modus, auch wenn global eine Auslegungsrechnung durchgeführt wird) =-1: lokale Auslegung (d.h. immer Auslegungs-Modus, auch wenn global eine Teillastrechnung durchgeführt wird)
FFU	Schalter EIN/AUS Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck... =0: AUS (Luft/Gas Eintritt= Austritt; Wasser M = 0) =1: EIN
FDES	Schalter für Kühler-Auslegungsmethode Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck... =2: T2 von außen gesetzt =4: T2 als T2TARGET gegeben
FSIZE	Basis für die Einheitengröße Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck... =0: Kühlleistung MXQC (berechne NUNITS und RLOAD < LOAD) =1: Heizleistung MXQH (berechne NUNITS und RLOAD < LOAD) =2: aus T2, LOAD und NUNITS
FCOP	Basis für COP (coefficient of performance) Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck... =0: Elektrische Leistung (MXQEL) - COP wird relative zur Kühlleistung Q12 berechnet =1: Kühl-COP (MXCOP) =2: Heiz-COP (MXCOP)
FOPOD	Schalter für Kühler-Auslegungsmethode Wie im Elternprofil (Unterprofil nur optional) Ausdruck... =2: T2 von außen gegeben, NUNITS und RLOAD < LOAD berechnen =4: T2 als T2TARGET gegeben, NUNITS und RLOAD < LOAD berechnen =1: NUNITS und Teillast-Anteil als LOAD setzen =3: NUNITS und Teillast-Anteil als LOAD auf Logikanschluss 7 als H setzen
LOAD	Gewünschter Teillast-Anteil
T2TARGET	Gewünschte AustrittsTemperatur T2
NUNITS	Zahl der aktiven Einheiten
DP12	Druckabfall 1->2
DP34	Druckabfall 3->4
MINLOAD	Minimale Teillast pro Einheit
T1N	Eintrittstemperatur (nominal)
M1N	Eintrittsstrom der Wärmequelle (nominal)
M3N	Eintrittsstrom der Wärmesenke (nominal)
V1N	Spezifisches Volumen Wärmequelle (nominal)
V3N	Spezifisches Volumen Wärmesenke (nominal)
Q12N	Kühlleistung je Einheit (nominal)
DP12N	Druckabfall Wärmequelle (nominal)
DP34N	Druckabfall Wärmesenke (nominal)
NUNITSN	Zahl der aktiven Einheiten (nominal)

Die blau markierten Parameter 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

Kennlinien

CPLCOP : COP Korrektur = f (Q12/Q12BASE); Q12/Q12BASE ist der Teillast-Anteil der Kühlleistung

                    1        Kühlkreislauf Teillast-Anteil        1. Punkt
                    2        Kühlkreislauf Teillast-Anteil           2. Punkt
                    .
                    N       Kühlkreislauf Teillast-Anteil          letzter Punkt

     Y-Achse  1       COP Korrekturfaktor                       1. Punkt
                    2        COP Korrekturfaktor                        2. Punkt
                    .
                    N        COP Korrekturfaktor                        letzter Punkt

CT4MAX: T4_max = f(T1); Maximale Austrittstemperatur der Wärmesenke als Funktion der Eintrittstemperatur der Wärmequelle

     X-Achse    1     Eintrittstemperatur der Wärmequelle         1. Punkt
                      2      Eintrittstemperatur der Wärmequelle         2. Punkt
                    .
                    N       Eintrittstemperatur der Wärmequelle          letzter Punkt

     Y-Achse  1       Maximale Austrittstemperatur Wärmesenke    1. Punkt
                    2        Maximale Austrittstemperatur Wärmesenke   2. Punkt
                    .
                    N       Maximale Austrittstemperatur Wärmesenke   letzter Punkt

CT4MIN: T4_min = f(T1); Minimale Austrittstemperatur der Wärmesenke als Funktion der Eintrittstemperatur der Wärmequelle

     X-Achse    1      Eintrittstemperatur der Wärmequelle           1. Punkt
                      2      Eintrittstemperatur der Wärmequelle           2. Punkt
                    .
                    N       Eintrittstemperatur der Wärmequelle            letzter Punkt

     Y-Achse   1       Minimale Austrittstemperatur Wärmesenke    1. Punkt
                    2        Minimale Austrittstemperatur Wärmesenke    2. Punkt
                    .
                    N       Minimale Austrittstemperatur Wärmesenke     letzter Punkt

Vorgabematrizen

MXQC: Q12 = f (T1, T4)

Kühlleistung als Funktion von Eintrittstemperatur der Wärmequelle und Austrittstemperatur der Wärmesenke

MXQH: Q34 = f (T1, T4)

Heizleistung als Funktion von Eintrittstemperatur der Wärmequelle und Austrittstemperatur der Wärmesenke

MXQEL: Q5 = f (T1, T4)

Strombedarf als Funktion von Eintrittstemperatur der Wärmequelle und Austrittstemperatur der Wärmesenke

MXCOP: COP = f (T1, T4)

Leistungskoeffizient (COP) als Funktion von Eintrittstemperatur der Wärmequelle und Austrittstemperatur der Wärmesenke . Die Basis für den COP, d.h. ob im Verhältnis zu Kühl- oder Heizleistung, muss im Parameter FCOP definiert werden.

Bauteilphysik

Grundlegendes Modell

Das Modul berechnet die Massen- und Energiebilanz für die beiden Prozessströme für die Wärmequelle und die Wärmesenke. Darüber hinaus erzeugt die Gesamtenergiebilanz alle relevanten Energiemengen wie Kühlen, Heizen und elektrische Energie:

Heizleistung = Kühlleistung + el. Antriebsleistung

Der thermodynamische Prozess im Inneren des Kompressionskühlers ist der Wärmepumpenprozess, bei dem ein Medium durch einen Verdampfungszyklus läuft (wodurch Wärme von einer Wärmequelle auf einem niedrigeren Temperaturniveau aufgenommen wird und der Wärmequellenstrom von T1 auf T2 abgekühlt wird) - Kompression auf ein höheres Druckniveau - Kondensation (wodurch Wärme auf einem höheren Temperaturniveau abgegeben und die Wärmesenke von T3 auf T4 aufgeheizt wird) - und Drosselung auf ein niedrigeres Druckniveau (wodurch sich die Verdampfungstemperatur reduziert).

Ein elektrischer Kompressionskühler besteht aus einem oder mehreren Wärmepumpenaggregaten, deren Leistungsaufnahme üblicherweise durch den Leistungskoeffizienten (Coefficient of Performance COP) charakterisiert wird. Abhängig von der Konvention des Herstellers kann der COP entweder das Verhältnis von der Kühlleistung zur elektrischen Leistungsaufnahme (im Folgenden als Kühl-COP in Bauteil152 bezeichnet) oder das Verhältnis von der Heizleistung zur elektrischer Energie (bezeichnet als Heiz-COP) ausdrücken. Wenn ein solche Leistungsbeziehung vorliegt, ist es nicht notwendig, den internen Wärmepumpenzyklus detailliert zu modellieren, und Bauteil 152 verwendet diesen Ansatz.

Leistungscharakteristik des Kompressionskühlers

Der Betrieb eines Kompressionskühlers wird durch Kennfelder mit Grenzen in Form der Einlasstemperatur T1 der kalten Seite (Wärmequelle) und die erreichbare Temperatur T4 auf der warmen Seite (Wärmesenker) definiert, die den maximalen Temperaturanstieg für einen bestimmten Maschinentyp darstellen. Nachfolgend ein typischer Leistungsbereich für eine industrielle Wärmepumpe.

Die zulässigen Grenzen sind in zwei charakteristischen Linien spezifiziert, die die maximal mögliche T4 (CT4MAX) und die minimal benötigte T4 (CT4MIN) für die ordnungsgemäße Funktion der Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Einlasstemperatur auf der kalten Seite (T1) definieren. Nachfolgend wird die zulässige minimale und maximale Austrittstemperatur der Wärmesenke angezeigt, die den obigen Leistungsmerkmalen entspricht. Es liegt in der Verantwortung des Benutzers, einen ausreichenden Massenstrom der Wärmesenke bereitzustellen, so dass die daraus resultierende Austrittstemperatur auf der warmen Seite innerhalb dieser Grenzen bleibt. Wenn die Temperaturgrenzen überschritten werden, gibt der Bauteil eine Warnung aus. Überschreitung von T4max bedeutet, dass der Durchfluss 34 erhöht werden muss, und bei Unterschreitung von T4min muss der Durchfluss 34 reduziert werden.

Eine Bibliothek mit Wärmepumpen-Kennfeldern wurde in die Standardwerte-Datenbank von Bauteil 152 eingepflegt. Mit dem Befehl "Standardwerte laden.." im Reiter "Allgemeines" kann folgendes Menü aktiviert werden, in dem die Standardwerte-Datensätze aufgelistet sind. Die Standardwerte enthalten sowohl die Spezifikationsmatrizen als auch entsprechende Werte für Vorgabewerte, so dass die Leistungsdaten mit einem Klick anwendbar sind.

Konfiguration des Kompressionskühlers

Die Komponente kann so konfiguriert werden, dass sie die Kältemaschinen des Kühlprozesses repräsentiert: entweder eine einzelne Kühlereinheit oder eine beliebige Anordnung von gleich großen Einheiten, von denen die Anzahl entweder vom Benutzer vorgegeben werden kann, oder sie kann auf der Grundlage einer vorgegebenen Leistung des Kompressionskühlers bestimmt werden :

Auslegungsrechnung

Üblicherweise spezifiziert der Benutzer die kalte Seite des Prozesses durch die Einlasstemperatur (T1), die Durchflussmenge (M1) und die gewünschte Austrittstemperatur (T2) des Haupteinlassstroms (z.B. der Luftmassenstrom am Eintritt in eine Gasturbine), die durch die Methode FDES als extern vorgegeben oder durch den Vorgabewert T2TARGET vorgegeben definiert werden. Beim Aufsetzen eines Modells muss darauf geachtet werden, dass der Durchfluss auf der warmen Seite so eingestellt ist, dass die resultierende Austrittstemperatur (T4) innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt. Das Modell bietet mehrere Möglichkeiten, die Leistungskennzahl des Kompressionskühlers zu bestimmen. Hierbei handelt es sich um folgende Leistungskennfelder mit den Parametern Eintrittstemperatur auf der kalten Seite T1 und Austrittstemperatur auf der warmen Seite T4 in Form zweidimensionaler Spezifikationsmatrizen :

(1) Kühlleistung (MXQC:Q12)

(2) Heizleistung (MXQH:Q34)

(3) Elektrische Antriebsleistung (MXQEL:Q5)

(4) Leistungskoeffizient bezogen auf die Heizleistung (MXCOP:COP, FCOP=2)

(5) Leistungskoeffizient bezogen auf die Kühlleistung (MXCOP:COP, FCOP=1)

Die Kennfelder (1) - (3) sind in absoluten Einheiten angegeben (kW, BTU / h) und geben die Leistungscharakteristik eines bestimmten Maschinentyps an. Die Anpassung an eine gewünschte Heiz- oder Kühlleistung im Auslegungsmodus wird durch die Berechnung der notwendigen Anzahl von Einheiten erreicht. Für die Verwendung von Leistungskennfeldern (1) - (3) ist es erforderlich, zwei Matrizen für die Bereitstellung einer vollständigen Bilanz zu verwenden: entweder (1) oder (2) in Kombination mit (3) oder (4) oder (5). Die jeweilige Kombination kann in den Eingangswerten FSIZE (Basis für Baugröße) und FCOP (Basis für COP) definiert werden. Wenn der elektrische Verbrauch direkt aus der Matrix MXQEL (d.h. FCOP = 0) berechnet wird, wird der Ergebniswert für den Leistungskoeffizienten RCOP auf Basis der Kühlleistung pro Einheit Q12 berechnet.

Der Berechnungsgang ist wie folgt: das Modell verwendet T1 und T4 im Leistungskennfeld (1) oder (2) (abhängig von der Spezifikation FSIZE) und wertet die Kennfelder (3) oder (4) oder (5) entsprechend der Vorgabe für FCOP aus. Damit kann der Stromverbrauch berechnet werden, und durch die Gesamtbilanz die entsprechende andere Wärmemenge.

Die Kennfelder (4) und (5) sind dimensionslos. Diese können verwendet werden, wenn keine gerätespezifischen Daten einer Kältemaschine zur Verfügung stehen. Das Modell enthält ein allgemein gültiges Standard-Kennfeld für den Leistungskoeffizienten (MXCOP). Der Benutzer muss in diesem Fall die Methode FSIZE = 2 wählen und die Anzahl der in Betrieb befindlichen Einheiten mit dem Spezifikationswert NUNITS definieren. Auf Basis des Standard-Kennfelds kann die Kältemaschine dann im Hinblick auf die Nenn-Kühlleistung Q12N dimensioniert werden. In diesem Fall ist das Berechnungsverfahren wie folgt: Je nachdem, welche Prozessseite (kalt oder warm) vollständig hinsichtlich der Eintrittstemperatur, der Austrittstemperatur und der Durchflussmenge definiert ist, berechnet das Modell die jeweilige Wärmeleistung. Mit T1 und T4 wird aus dem Leistungskennfeld für COP die elektrische Antriebsleistung bestimmt. Die Gesamtenergiebilanz bestimmt die verbleibende Wärmeleistung und die jeweilige Eintritts- bzw. Austrittstemperatur. Die Aufteilung der resultierenden Gesamtkühlleistung auf die angegebene Anzahl von Einheiten (NUNITS) ergibt die Kühlleistung pro Einheit.

Gleichungen:
	Q34 = Q12 + RPOWR
	FSIZE = 0: Q12 = RNUNITS * RLOAD * Q12BASE
	Q12BASE = MXQC(T1,T4)
	FSIZE = 1: Q34 = RNUNITS * RLOAD * Q34BASE
	Q34BASE = MXQH(T1,T4)
	FSIZE = 2: Q12 = M1* (H1 - H2) = LOAD NUNITS * Q12BASE with H2* berechnet mit T2 vor Kondensatablass
	FCOP = 0: RPWR = RNUNITS * MXQEL(T1,T4)/ CPLCOP(RLOAD)
	FCOP = 1: RPWR= Q12/RCOP; RCOP = CPLCOP(RLOAD) * MXCOP(T1,T4)
	FCOP = 2: RPWR= Q34/RCOP; RCOP = CPLCOP(RLOAD) * MXCOP(T1,T4)

Teillastrechnung

Im Off-Design stehen die Einheitsgröße (Q12BASE oder Q34BASE) und die maximal verfügbare Anzahl der Einheiten (NUNITSN) fest. Der Benutzer kann sich entscheiden, den Kühler komplett über den Vorgabewert FFU auszuschalten oder die Teillast-Betriebsart aus der Dropdown-Liste FOPOD auszuwählen .

Betrieb mit Regelung der Austrittstemperatur (FOPOD = 2,4)

Die gewünschte Austrittstemperatur aus dem Kühler kann im Vorgabewert T2TARGET oder als extern vorgegeben eingestellt werden, und die Berechnung bestimmt die Anzahl der Kühlereinheiten, die in Betrieb sein müssen, mit einem resultierenden Teillast-Anteil (RLOAD), der dem gewünschten Teillast-Anteil (LOAD) am nächsten kommt. Wenn jedoch die gewünschte Temperatur nicht mit der maximal verfügbaren Anzahl von Einheiten (NUNITSN) auf dem definierten Ladeniveau erreicht werden kann, wird eine Fehlermeldung generiert.

Betrieb mit Regelung der Last (FOPOD = 1,3)

Bei Betrieb mit Lastregelung legt der Benutzer die Anzahl der aktiven Einheiten mit dem Vorgabewert NUNITS fest, der kleiner oder gleich NUNITSN sein muss. Der Teillast-Anteil kann entweder mit dem Vorgabewert LOAD definiert werden oder als Wert für Enthalpie auf dem Logikleitungsanschluss 7. Die letztere Einstellung ermöglicht die Kombination mit einem externen Regler, um ein bestimmtes übergeordnetes Ziel im Modell zu erreichen.

Die Massen- und Energiebilanzen werden mit den im Auslegungsfall definierten Leistungskennfeldern geschlossen.

Die Druckverluste auf der kalten und warmen Seite werden anhand eines quadratischen Gesetzes ausgewertet DP = DP_design*V/V_design*(M/M_design)²

Bauteilform

Form 1

Form 2

Beispiel

Hier klicken >> Bauteil 152 Demo << um ein Beispiel zu laden.

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