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In diesem Thema
    Bauteil 165: Thermischer Regenerator/ Schüttgutspeicher
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    Bauteil 165: Thermischer Regenerator / Schüttgutspeicher

    Spezifikationen

    Leitungsanschlüsse

    1

    Haupteintritt, normale Strömungsrichtung

    2

    Hauptaustritt, normale Strömungsrichtung

    3

    Haupteintritt, umgekehrte Strömungsrichtung

    4

    Hauptaustritt, umgekehrte Strömungsrichtung

    5

    Wärmeübertragung vom Fluid zum Speichermedium (Austritt)

    Allgemeines       Vorgabewerte       Verwendete Physik       Kennlinien      Ergebnisse       Bauteilform       Beispiel

    Allgemeines

    Das Bauteil 165 kann zur Modellierung eines thermischen Regenerators (z.B. Winderhitzer) / eines Schüttgutspeichers verwendet werden. Dabei wird zwischen der inneren Speichermasse (Suffix "IS" in Parameternamen wie z.B. FDATAIS) und dem Gehäuse (Suffix "S" in Parameternamen wie z.B. FDATAS) unterschieden. Das Gehäuse kann sowohl zylinderförmig sein als auch quadratisch. Die Geometrie des Gehäuses bestimmt das gesamte innere Volumen des Speichers, in dem sich die innere Speichermasse befindet.

    DIe Gehäusewand und die innere Speichermasse können aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen und unterschiedliche Wärmeübertragungskoeffizienten zum Wärmeträger haben. Für die Spezifikation der unterschiedlichen Werkstoffdaten sowie der Wärmeübertragungskoeffizienten  sind entsprechende Vorgabewerte vorgesehen.

    Für die alternierenden Strömungsrichtungen in der Speicher Be- und Entladephase sind die Anschlüsse 1, 2 bzw. 3, 4 und der Schalter FDIR vorgesehen. Es wird vom Bauteil erwartet, dass der Wärmeträger entweder vom Anschluss 1 zum Anschluss 2 oder vom Anschluss 3 zum Anschluss 4 fließt. Eine gleichzeitige Belegung aller vier Anschlüsse mit Massenströmen > 0 ist nicht vorgesehen.

    Für die Berechnung des Druckverlustes bei der Strömung des Wärmeträgers steht neben dem EBSILON-Standard-Verfahren mit dem Nominalwert DP12N und der Teillastskalierung auch der Formalismus gemäß VDI Wärmeathlas L1.6. Dabei werden 2 zusätzliche Parameter benötigt

    Der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Wärmeträger und der inneren Speichermasse kann direkt vorgegeben werden (Parameter ALPHIIS, EALPHIIS, EXALPHIIS). Alternativ kann der Formalismus gemäß VDI Wärmeathlas G9 verwendet werden, um den Wärmeübertragungskoeffizient zu berechnen (FALPHIIS=2). Dabei wird, ähnlich wie bei der Druckverlustberechnung, der charakteristische Durchmesser der Speicherelemente und der Formfaktor der Elemente benötigt. Der Formfaktor für die Berechnung des Wärmeübertragungskoeffizienten wird mittels der Vorgabewerte FSFALF und SFALF definiert.

     

    Vorgabewerte

    FINST

    Schalter zur Bestimmung des Instationaritätsmodus

    0: Instationäre Lösung nach Zeitreihen- Dialog
    1: Stationäre Lösung, das Bauteil leitet das Fluid, es findet kein Wärmeaustausch mit dem Speichermaterial statt

    FINIT

     

    Vorgabe des Anfangszustands

    =0: GLOBAL, die Steuerung erfolgt über die globale Variable "Instationärer Modus" unter Modell-Einstellungen:
          " Extras" -> "Modelleinstellungen" -> "Simulation" -> "Instationär" -> Kombobox "Instationärer Modus"
          (siehe dazu --> Verwendete Physik / Gleichungen --> Globale Initialisierung von transienten Bauteilen)

    =1: erster Durchlauf, das Temperaturfeld wird gemäß FSTART initiiert
    =2: Folgedurchlauf, das Temperaturfeld am Anfang des Zeitschritts wird aus der Lösung des vorherigen Zeitschritts übernommen

    FMODE

    Vorgabe des Berechnungsmodus
    =0: entspricht Auslegung (Nominalwerte des Bauteils werden bei Designrechnung überschrieben)
    =1: entspricht Teillastrechnung (Nominalwerte des Bauteils bleiben bei Designrechnung unangetastet)

    FALGS

     

    Schalter für instationären Berechnungsmodus der Gehäusewand

    =1: 2D-Gitter mit Crank-Nicolson-Algorithmus
    =4: reduziertes physikalisches Modell

    FALGIS

    Schalter für instationären Berechnungsmodus der inneren Speichermasse

    =1: 2D-Gitter mit Crank-Nicolson-Algorithmus
    =4: reduziertes physikalisches Modell

    FGTYP

    Typ der Gehäuse-Wand-Geometrie

    =0: Rohr (Querschnitt rund)

    =1: Kanal (Querschnitt quadratisch)

    FSTO

    Schalter zur Definition der Gehäuse-Wand-Geometrie, die für die Masse sowie die Wärmetauscherfläche ausschlaggebend ist:

    =0: Vorgabe der Länge LSTO, der Wärmetauscherfläche ASTO und der Speichermasse MSTO
    =1: Vorgabe des Länge LSTO, des Rohrinnendurchmessers / Kanalbreite DIAI und der Wanddicke THSTO

    LSTO

    Strömungslänge des Speichers

    DIAI

    		 Rohrinnendurchmesser / Innenseitenlänge des Gehäuses

    THSTO

    		 Dicke der Gehäusewand

    ASTO

    Wärmeaustauschfläche zwischen Fluid und der Gehäusewand 

    MSTO

    Masse der Gehäusewand

    PHI

    		 Anteil des freien Strömungsquerschnitts (Hohlraumanteil bzw. Porosität)

    FV

    		 Spezifische Heizfläche bezogen auf das Volumen der inneren Speichermasse

    FDPC

    Schalter zur Berechnung des charakteristischen (äquivalenten) Durchmessers der Speicherelemente

    =0: Berechnung mittels FV

    =1: gemäß DPC

    DPC

    		 Charakteristischer (äquivalenter) Durchmesser der Speicherelemente (VDI Wärmeatlas L1.6 Tabelle 1)

    FSPECM

    Schalter zur Berücksichtigung der Fluidmasse

    =1: Fluidmasse vernachlässigbar,
    =2: Fluidmasse berücksichtigt, Austritts- gleich Eintrittsmassenstrom,
    =3: Fluidmasse berücksichtigt, Austritts- ungleich Eintrittsmassenstrom

    FDATAS 

    Vorgabe der Stoffwerte des Gehäusewerkstoffs 

    =1: konstant gemäß RHOS, LAMS, CPS

    =-1: gemäß Werkstoffvorgabe FMSHELL

    =-2: gemäß Kernelexpression ERHOS, ECPS, ELAMS

    FMSHELL

    Schalter: Vorgabe des Gehäusewerkstoffs  :  Stoffeigenschaften Stahl  

    RHOS 

    Dichte des Gehäusewerkstoffs

    LAMS 

    		 Wärmeleitfähigkeit des Gehäusewerkstoffs

    CPS

    Spezifische Wärmekapazität des Gehäusewerkstoffs

    ERHOS

    Kernelexpression Dichte des Gehäusewerkstoffs

    ELAMS

    Kernelexpression Wärmeleitfähigkeit des Gehäusewerkstoffs

    ECPS

    Kernelexpression Spezifische Wärmekapazität des Gehäusewerkstoffs

    FDATAIS

    Vorgabe der Stoffwerte der inneren Speichermasse (Schüttgut, Füllmasse, Wärmespeicher-Elemente)

    =1: konstant gemäß RHOIS, LAMIS, CPIS

    =-1: gemäß Werkstoffvorgabe FMINST

    =-2: gemäß Kernelexpression ERHOIS, ECPIS, ELAMIS

    FMINST

    Schalter: Vorgabe des Materials der inneren Speichermasse :    Stoffeigenschaften Stahl  

    RHOIS

    Dichte des Materials der inneren Speichermasse

    LAMIS

    		 Wärmeleitfähigkeit des Materials der inneren Speichermasse

    CPIS

    		 Spezifische Wärmekapazität des Materials der inneren Speichermasse

    ERHOIS

    		 Kernelexpression Dichte des Materials der inneren Speichermasse

    ELAMIS

    Kernelexpression Wärmeleitfähigkeit des Materials der inneren Speichermasse

    ECPIS

    Kernelexpression Spezifische Wärmekapazität des Materials der inneren Speichermasse

    THISO

    Dicke der Isolierung des Gehäuses

    LAMISO

    Wärmeleitfähigkeit der Isolierung

    FTSTEPS

    Art der Vorgabe des Zeitschritts der zeitlichen Diskretisierung (Unterzeitschritt bei FINIT=1 und FALGIS=1)

    =1: gemäß TISTEP
    =2: 0.2 mal stabile Zeitschrittweite entsprechend der charakteristischen Kennzahlen (Biot-, Fourierzahl)
    =3: 0.5 mal stabile Zeitschrittweite entsprechend der charakteristischen Kennzahlen (Biot-, Fourierzahl)
    =4: 1.0 mal stabile Zeitschrittweite entsprechend der charakteristischen Kennzahlen (Biot-, Fourierzahl)
    =5: 2.0 mal stabile Zeitschrittweite entsprechend der charakteristischen Kennzahlen (Biot-, Fourierzahl)
    =6: 5.0 mal stabile Zeitschrittweite entsprechend der charakteristischen Kennzahlen (Biot-, Fourierzahl) 

    ISUBMAX

    		 Maximale Anzahl der internen Iterationsschritte bei der Initialisierung (FINIT=1 und FALGIS=1)

    IERRMAX

    Maximal erlaubter Fehler bei Initialisierungsrechnung (FINIT=1 und FALGIS=1)

    TISTEP

    		 Sub-Zeitschrittweite (FALGIS=1 oder FALGS=1)

    NFLOW

    Anzahl der Gitterpunkte in Strömungsrichtung

    NYS

    Anzahl der Gitterpunkte in Wand-normaler Richtung für Gehäusewand (FALGS=1)

    NYIS

    Anzahl der Gitterpunkte in Wand-normaler Richtung für die innere Speichermasse (FALGIS=1)

    TAUADJ

    Korrekturfaktor für die Zeitkonstante der Rohrwand (FALGIS=4 oder FALGS=4) 

    LAMADJ 

    Multiplikator zu 1/LAMBDA - Widerstand durch die Wärmeleitfähigkeit der Rohrwand (FALGIS=4 oder FALGS=4)

    TMIN

    Untergrenze für Speichertemperatur

    TMAX

    Obergrenze für Speichertemperatur

    FSTAMB 

    Vorgabe der Umgebungstemperatur

    =0: gemäß TAMB
    =1: aus übergeordneter Berechnung wie z.B. dem Bauteil 117 (Sonne) 

    TAMB

    Umgebungstemperatur 

    ISUN

    		 Index der übergeordneten Berechnung aus der die Umgebungstemperatur übernommen wird (z.B. BT 117)               

    FALPHIS 

    Vorgabe des inneren Wärmeübergangskoeffizienten zur Gehäusewand

    =0: gemäß ALPHIS und Exponente EXALPHIS (bei Teillast)
    =1: aus Funktion EALPHIS

    ALPHIS 

    Innerer Wärmeübergangskoeffizient zur Gehäusewand 

    EALPHIS 

    Kernelexpression des inneren Wärmeübergangskoeffizienten zur Gehäusewand 

    EXALPHIS

    Massenstromexponent des inneren Wärmeübergangskoeffizienten ALPHIS

    FALPHIIS

    Vorgabe des inneren Wärmeübergangskoeffizienten zur inneren Speichermasse

    =0: gemäß ALPHIIS und Exponente EXALPHIIS (bei Teillast)
    =1: aus Funktion EALPHIIS
    =2: gemäß Geometrie und Formeln VDI Wärmeatlas G9 

    ALPHIIS

    Innerer Wärmeübergangskoeffizient zur inneren Speichermasse           

    EALPHIIS

    Kernelexpression des inneren Wärmeübergangskoeffizienten zur inneren Speichermasse

    EXALPHIIS

    Massenstromexponent des inneren Wärmeübergangskoeffizienten ALPHIIS

    FSFALF

    Definition des Formfaktors für die Berechnung von ALPHIIS nach VDI Wärmeatlas G9

    =0: gemäß Vorgabewert SFALF
    =1: gemäß Formel für Kugeln
    =2: gemäß Formel für Zylinderabschnitte, Würfeln
    =3: gemäß Formel für Raschigringe
    =4: gemäß Formel für Bernsättel 

    SFALF

    Formfaktor für die Berechnung von ALPHIIS nach VDI Wärmeatlas G9

    FALPHO

    Vorgabe des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten (zur Umgebung)

    =0: konstant gemäß ALPHO
    =1: aus Funktion EALPHO

    ALPHO

    		 Äußerer Wärmeübertragungskoeffizient (zur Umgebung)

    EALPHO

    Kernelexpression des äußeren Wärmeübergangskoeffizienten 

    AOUTP 

    		 Anteil der Außenfläche, der in Kontakt mit der Umgebung steht

    FDP12 

    Schalter für die Druckverlustberechnung

    =0 : DP12N
    =1: gemäß Geometrie und Formeln VDI Wärmeatlas L1.6

    FVOL 

    Schalter für die Berücksichtigung der Abhängigkeit des Druckverlusts bei Teillast (FDP12=0)

    =0: nur Massenstrom-abhängig DP/DPN = (M1/M1N)**2
    =1: Massenstrom- und Dichte-abhängig DP/DPN = V/VN*(M1/M1N)**2
    =2: Konstanter Wert vorgegeben (lastunabhängig) 

    DP12N 

    Druckverlust nominal

    PHIDP 

    		 Druckverlust-Formfaktor für die innere Speichermasse (FDP12=1) (VDI Wärmeatlas L1.6 Tabelle 1)

    FSTART 

    Definition der Initiierung des Temperaturfelds

    =1: jeder Gitterpunkt des Temperaturfelds des festen Speichers (Gehäuse und innere Speichermasse) entspricht TSTART
    =2: aus einem stationären Zustand bei gegebenen konstanten Materialeigenschaften, Wärmeübergangskoeffizienten und Fluid- und Umgebungstemperaturen wird das Temperaturfeld berechnet 
    =3: jeder Gitterpunkt des Temperaturfelds des festen Speichers (Gehäuse und innere Speichermasse) und des Fluids entspricht TSTART

    TSTART  

    		 Startemperatur des Speicher-Temperaturfelds

    FDIR  

    Schalter für die Behandlung der Strömungsrichtung des Fluids relativ zum Speicher

    =0: Normal, Fluidströmung vom Anschluss 1 zum Anschluss 2

    =1: Umgekehrt, Fluidströmung vom Anschluss 3 zum Anschluss 4 

    DIRLAST 

    		 Strömungsrichtung des Fluids im letzten Zeitschritt

    TIMETOT0  

    Gesamtzeit zu Beginn der Berechnung (Summe vorangegangene Zeitschritte) 

    M1N

    Fluid-Massenstrom (nominal) 

    V1N

    Spezifisches Volumen am Eintritt (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

     

     

    Ergebnisse

    TAVBEG

    Kalorisch gemittelte Speichertemperatur zu Beginn des Zeitschrittes

    TAVEND

    Kalorisch gemittelte Speichertemperatur am Ende des Zeitschrittes

    T2BEG

    Austrittstemperatur des Fluids zu Beginn des Zeitschrittes

    T2END

    Austrittstemperatur des Fluids am Ende des Zeitschrittes

    QSTO

    Während des Zeitschrittes gespeicherte Wärmemenge (Innere Speichemasse, Gehäusewand und Fluid)

    QAV

    Mittlerer Wärmestrom durch den Speicher (QSTO/TIMEINT)

    QAVI

    Mittlerer Wärmestrom vom Fluid zum Speicher

    QAVO

    Mittlerer Wärmestrom vom Speicher an die Umgebung

    RALPHIIS

    Berechneter Wärmeübergangskoeffizient Fluid - innere Speichermasse

    RALPHO

    Berechneter Wärmeübergangskoeffizient Speichergehäuse-Umgebung

    RASTO

    Berechnete Wärmeaustauschfläche Fluid-Speicher (Gesamtfläche, innere Speichermasse + Gehäuse)

    RTHSTO

    Äquivalente Plattendicke der inneren Speichermasse

    RMSTO

    Berechnete Speichermasse (innere Speichermasse + Gehäuse)

    RVFLUID

    Fluidvolumen

    MFLUID

    Fluidmasse (FSPECM>1)

    PFLAV

    Mittlerer Fluiddruck

    HFLAV

    Mittlere Fluidenthalpie

    TFLAV

    Mittlere Fluidtemperatur

    RHOFLAV

    Mittlere Fluiddichte (FSPECM>1)

    RTAMB

    Umgebungstemperatur

    BIOTIS

    Biot-Zahl für die innere Speichermasse

    TIMEINT

    Integrationszeit (aktuelle Zeitschrittweite)

    TIMETOT

    Gesamte Integrationszeit seit Beginn der Rechnung (Zeitreihe)

    DIRCUR

    Strömungsrichtung des Fluids im aktuellen Zeitschritt

    PREC

    Genauigkeit der Rechnung: normierte Differenz zwischen der vom Fluid aufgenommenen und der dem gesamten Speicher (innere Speichermasse + Gehäuse) und Umgebung zugefügten Wärmemenge während des gesamten Zeitschritts
    RALPHIS

    Berechneter Wärmeübergangskoeffizient Fluid - Gehäusewand
    BIOTS Biot-Zahl für Gehäusewand

     

    Verwendete Physik / Gleichungen

    Die Berechnung des Bauteils 165 beruht auf der Vereinfachung der inneren Speichermasse-Geometrie. Die tatsächliche Speichermasse eines Regenerators kann auf die gleichwertige Geometrie der ebenen Platten vereinfacht werden. Dabei muss die Gesamtmasse und die gesamte wärmeübertragende Fläche der tatsächlichen Speichermasse identisch der Fläche und der Masse der Platte sein.

    Die zwei Parameter für die Spezifikation der äquivalenten Speichermasse sind

    Wenn fV, φ und das Gesamtvolumen (Speichermasse und Hohlraum) bekannt sind, dann kann damit das Volumen und die Kontaktoberfläche der Speichermasse berechnet werden. Diese Daten werden benutzt um intern eine äquivalente ebene Platte zu definieren. Diese ebene Platte repräsentiert die innere Speichermasse in der Berechnung der Wärmeübertragung bzw. Wärmeein- und Wärmeausspeicherung.

    Der gesamte Fluid-Strom wird intern entsprechend der Flächenanteile in den Teil-Strom vom Gehäuse und Teilstrom der inneren Speichermasse aufgeteilt. Das System Fluid-Gehäusewand und das System Fluid-Speichermasse werden in der Simulation getrennt behandelt. Anschließend werden die Temperaturen, Enthalpien entsprechend der Massenanteile gemittelt.

    Für die Berechnung der Wärmeleitung werden sowohl für die Gehäusewand als auch für die innere Speichermasse 2 alternative Algorithmen verwendet (Steuerung mit Vorgabewerten FALGS, FALGIS). Details dazu siehe im  Bauteil 119 

     

    Kennlinien und Matrizen

    Die Kennlinien dienen der Koppelung der Zeitschritte untereinander und brauchen i.d.R. vom Anwender nicht beeinflusst werden.

    Korrespondierend mit diesen Ergebnis-Kennlinien gibt es zu jeder Ausgabegröße eine Ergebniskurve.

    Spezifikations-Matrizen MXTSTOS, MXTSTOIS und Ergebnis-Matrizen RXTSTOS, RXTSTOIS

    Die Matrizen MXTSTOS (Temperaturverteilung Gehäusewand), MXTSTOIS (Temperaturverteilung innere Speichermasse) sind mit den Ausgabefeldern RXTSTOS, RXTSTOIS auf die gleiche Weise verknüpft wie die oben genannten Kennlinien und Ergebniskurven. Die Verteilung der Werte in der inneren Speichermasse und den Fluiden wird in den entsprechenden Matrizen (z.B. Vorgabematrix MXTSTOS für den Zeitschritt t-1 und Ergebnismatrix RXTSTOS für den Zeitschritt t) abgelegt.

    Aufbau der Matrizen siehe Matrizen bei BT 160.

     

    Bauteilform

    Form 1

    Beispiel

    Klicken Sie hier>> Bauteil 165 Demo << um ein Beispiel zu laden.

     

     

     

    Copyright Iqony Solutions GmbH 2024 Erstellt am 05.09.2024

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