Bauteil 166: Latentwärmespeicher

Spezifikationen

Leitungsanschlüsse
1	Hauptfluideintritt
2	Hauptfluidaustritt
3	Wärmeübertragung vom Fluid zum Speichermedium (Austritt)
4	PCM-Fluid-Definition (Eintritt)

Allgemeines Vorgabewerte Verwendete Physik Kennlinien Ergebnisse Bauteilform Beispiel

Allgemeines

Das Bauteil 166 modelliert einen PCM-Speicher (Latentwärmespeicher, PCM steht für engl. phase change material) einschließlich eines Wärmetauschers zum Be- und Entladen des Speichers. Zum Nachvollziehen der Beschreibung ist es sehr wichtig zu unterscheiden zwischen dem PCM-Fluid (das Medium in dem hauptsächlich die latente Wärme gespeichert wird, und das seinen Aggregatzustand - Phase - beim Be- / Entladen ändert) und dem Fluid (dem Wärmeträger, der durch den Wärmetauscher fließt und den Speicher be- bzw. entlädt). Im Gegensatz zum Fluid bleibt das PCM-Fluid im Speicher und fließt nicht zu oder ab. Fluid dagegen fließt in das Bauteil am Anschluss 1 herein am Anschluss 2 aus dem Bauteil heraus. Damit wird das Bauteil 166 mit der restlichen Schaltung verbunden. Das Bauteil 166 schließt also nicht nur den Latentwärmespeicher sondern auch einen Wärmetauscher zwischen dem Wärmeträger und dem Latentwärmespeicher.

Das PCM-Fluid wird am Anschluss 4 definiert. Dazu kann das Bauteil 1 oder das Bauteil 33 verwendet werden. Details dazu siehe Kapitel PCM-Fluide. Um einen Eisspeicher zu modellieren kann als PCM-Fluid LibICE vom Leitungstyp Zwei-Phasen-Fluid verwendet werden.

Die räumliche Anordnung zwischen dem Fluid-Kanal und dem PCM-Fluid-Behälter kann 2 Konfigurationen annehmen

PCM innen, Strömung außen - schematisch dargestellt in Abbildung 1b), FCONF = 1 - damit ist gemeint, dass die PCM-Fluid-Behäterwand die räumliche Grenze zwischen PCM-Fluid und Wärmeträger-Fluid bildet. Z.B. kann PCM in einem Rohr sein, das von außen vom Wärmeträger-Fluid umströmt wird oder PCM ist in einer Kugel eingekapselt, die wiederum von einem Fluid umströmt wird
PCM außen, Strömung innen - schematisch dargestellt in Abbildung 1a), FCONF = 2 - in diesem Fall bildet die Fluid-Kanalwand die räumliche Grenze zwischen PCM-Fluid und Wärmeträger-Fluid. Z.B. fließt Fluid in einem Rohr, das von außen mit einem PCM-Fluid ummantelt wird.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der räumlichen Zuordnung. a) PCM außen, Strömung innen b) PCM außen, Strömung innen

Es ist daher wichtig ausgehend von der Zuordnung die korrekten geometrischen Parameter für den Fluid-Kanal und den PCM-Fluid-Behälter zu setzen. Im Fall FCONF=1 muss die Breite / der Durchmesser des Fluid-Kanals größer als die Breite / der Durchmesser des PCM-Fluid-Behälters sein. Im Fall FCONF=2 muss die Breite / der Durchmesser des Fluid-Kanals kleiner als die Breite / der Durchmesser des PCM-Fluid-Behälters sein.

Weiterhin sind geometrisch folgende Konfigurationen möglich:

Der Fluidkanal kann ein Rohr (Querschnitt rund, FGTYPFL=0) oder ein Rechteckkanal (Querschnitt rechteckig, FGTYPFL=1) sein
Für PCM-Fluid-Behäter sind 3 Formen zulässig: Zylinder (FGTYPPCM=0), Rechteckkanal (FGTYPPCM=1), Kugel (FGTYPPCM=2)

Je nach Kombination von Vorgabewerten FCONF, FGTYPFL, FGTYPPCM sind verschiedene Anordnungen möglich, die allerdings nicht alle sinnvoll bzw. nicht alle implementiert sind. Wenn FGTYPPCM=2 (PCM-Fluid in Kugel eingekapselt), dann ist logischerweise nur FCONF=1 (PCM innen) möglich. Weitere Konfigurationen sind in Abbildung 2 dargestellt. Die Kombination aus Recheckkanal innen und Zylinderkanal außen ist nicht implementiert.

Abbildung 2. Schematische Darstellung der implementierten und nicht-implementierten (rot durchgestrichen) Kombinationen der PCM-Fluid-Behälter und Fluid-Kanal-Geometrien

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)
FCONF	Geometrische Konfiguration des Speicher-Wärmetauschers =1: PCM innen, Strömung außen =2: PCM außen, Strömung innen
LSTO	Strömungslänge des Speichers
FGTYPPCM	Typ der PCM-Behälter-Geometrie =0: Rohr (Querschnitt rund) =1: Rechteckkanal (Querschnitt rechteckig) =2: Kugel
FSTOPCM	Schalter zur Definition der PCM-Behälter-Wandgeometrie, die für die Masse sowie die Wärmetauscherfläche ausschlaggebend ist: =0: Vorgabe der Länge LSTO, der Wärmetauscherfläche AWPCM und der Speichermasse MWPCM =1: Vorgabe des Länge LSTO, des Rohrinnendurchmessers / Kanalkantenläge DIAIPCM und der Wanddicke THWPCM
DIAIPCM	Rohrinnendurchmessers / Kanalkantenläge des PCM-Behälters
THWPCM	Dicke der PCM-Behälterwand
AWPCM	Wärmeaustauschfläche zwischen PCM und PCM-Behälterwand
MWPCM	Masse der PCM-Behälterwand (nicht zu verwechseln mit der Masse von PCM!)
FPCMBALL	Schalter zur Definition der PCM-Speicherball-Geometrie: =0: Gemäß THWPCM, DIAIPCM für einzelne Bälle und PHI =1: Gemäß THWPCM, AWPCM für einzelne Bälle und PHI =2: Gemäß THWPCM, DIAIPCM für einzelne Bälle und NBALLS =3: Gemäß THWPCM, AWPCM für einzelne Bälle und NBALLS
NBALLS	Anzahl der PCM-Bälle
FGTYPFL	Typ der Fluid-Kanal-Geometrie =0: Rohr (Querschnitt rund) =1: Rechteckkanal (Querschnitt rechteckig)
FSTOFL	Schalter zur Definition der Fluid-Kanalwand-Geometrie, die für die Masse sowie die Wärmetauscherfläche ausschlaggebend ist: =0: Vorgabe der Länge LSTO, der Wärmetauscherfläche AWFL und der Speichermasse MWFL =1: Vorgabe des Länge LSTO, des Rohrinnendurchmessers / Kanalkantenläge DIAIFL und der Wanddicke THWFL
DIAIFL	Rohrinnendurchmessers / Kanalkantenläge des Fluid-Kanals
THWFL	Dicke der Fluid-Kanalwand
AWFL	Wärmeaustauschfläche zwischen Fluid und Fluid-Kanalwand
MWFL	Masse der Fluid-Kanalwand
FSPECM	Schalter zur Berücksichtigung der Fluidmasse =1: Fluidmasse vernachlässigbar, =2: Fluidmasse berücksichtigt, Austritts- gleich Eintrittsmassenstrom, =3: Fluidmasse berücksichtigt, Austritts- ungleich Eintrittsmassenstrom
FDATPCMV	Vorgabe der Stoffwerte des Wandmaterials des PCM-Behälters =1: konstant gemäß RHOPCMV, LAMPCMV, CPPCMV =-1: gemäß Werkstoffvorgabe FMPCMV =-2: gemäß Kernelexpression ERHOPCMV, ECPPCMV, ELAMPCMV
FMPCMV	Schalter: Vorgabe des Wandmaterials des PCM-Behälters : Stoffeigenschaften Stahl
RHOPCMV	Dichte des Wandmaterials des PCM-Behälters
LAMPCMV	Wärmeleitfähigkeit des Wandmaterials des PCM-Behälters
CPCMV	Spezifische Wärmekapazität des Wandmaterials des PCM-Behälters
ERHOPCMV	Kernelexpression Dichte des Wandmaterials des PCM-Behälters
ELAMPCMV	Kernelexpression Wärmeleitfähigkeit des Wandmaterials des PCM-Behälters
ECPCMV	Kernelexpression Spezifische Wärmekapazität des Wandmaterials des PCM-Behälters
FDATFLV	Vorgabe der Stoffwerte des Wandmaterials des Fluid-Kanals =1: konstant gemäß RHOFLV, LAMFLV, CPFLV =-1: gemäß Werkstoffvorgabe FMFLV =-2: gemäß Kernelexpression ERHOFLV, ECPFLV, ELAMFLV
FMFLV	Schalter: Vorgabe des Wandmaterials des Fluid-Kanals: Stoffeigenschaften Stahl
RHOFLV	Dichte des Wandmaterials des Fluid-Kanals
LAMFLV	Wärmeleitfähigkeit des Wandmaterials des Fluid-Kanals
CFLV	Spezifische Wärmekapazität des Wandmaterials des Fluid-Kanals
ERHOFLV	Kernelexpression Dichte des Wandmaterials des Fluid-Kanals
ELAMFLV	Kernelexpression Wärmeleitfähigkeit des Wandmaterials des Fluid-Kanals
ECFLV	Kernelexpression Spezifische Wärmekapazität des Wandmaterials des Fluid-Kanals
THISO	Dicke der Isolierung
LAMISO	Wärmeleitfähigkeit der Isolierung
FTSTEPS	Schalter zur Steuerung der Sub-Zeitschrittweite =0: Skalierung der Sub-Zeitschrittweite gemäß Diffusionszahl und Vorgabewert TLSF =1: Sub-Zeitschrittweite gleich TISTEP
TLSF	Sub-Zeitschritt-Skalierungsfaktor basierend auf dem theoretischen Limit
ISUBMAX	Maximale Anzahl der internen Iterationsschritte bei der Initialisierung
IERRMAX	Maximal erlaubter Fehler bei Initialisierungsrechnung
TISTEP	Sub-Zeitschrittweite
NFLOW	Anzahl der Gitterpunkte in Strömungsrichtung
NRAD	Anzahl der Gitterpunkte in Wand-normaler Richtung
TMIN	Untergrenze für Speichertemperatur (relevant hier für Wände und PCM-Fluid)
TMAX	Obergrenze für Speichertemperatur (relevant hier für Wände und PCM-Fluid)
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)
FALPHI	Vorgabe des Wärmeübergangskoeffizienten an der Kanalinnenseite des Fluids =0: gemäß ALPHI und Exponente EX12 (bei Teillast) =1: aus Funktion EALPHI
ALPHI	Wärmeübergangskoeffizient vom Fluid an der Kanalinnenseite des Fluids
EX12	Massenstromexponent des inneren Wärmeübergangskoeffizienten RALPHI = ALPHI(M1/M1N*EX12)
EALPHI	Kernelexpression des Wärmeübergangskoeffizienten an der Kanalinnenseite des Fluids
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
CLMPCM	Korrekturfaktor zur Wärmeleitfähigkeit des PCM-Fluids (z.B. um Konvektion beim Schmelzen des PCM-Fluids zu berücksichtigen)
FVOL	Schalter für die Berücksichtigung der Abhängigkeit des Druckverlusts =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 (Fluid-Strömung)
PPCM	Druck PCM-Fluid
FSTART	Definition der Initiierung des Temperaturfelds =1: jeder Gitterpunkt des Temperaturfelds entspricht TSTART =2: aus einem stationären Zustand bei gegebenen konstanten Materialeigenschaften, Wärmeübergangskoeffizienten und Fluid- und Umgebungstemperaturen wird das Temperaturfeld berechnet
TSTART	Startemperatur des Speicher-Temperaturfelds
FDIR	Schalter für die Behandlung der Strömungsrichtung des Fluids relativ zum Speicher =0: Normal, keine Änderung der Fließrichtung =1: Umgekehrt, (Achtung: Die Spiegelung findet in jedem Zeitschritt bei dieser Schalterstellung neu statt!)
TIMETOT0	Gesamtzeit zu Beginn der Berechnung (Summe vorangegangene Zeitschritte)
PHI	Hohlraumvolumenanteil - das Volumenanteil des Fluid-Kanals, das nicht mit PCM-Bällen besetzt ist
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

T2BEG	Austrittstemperatur des Fluids zu Beginn des Zeitschrittes
T2END	Austrittstemperatur des Fluids am Ende des Zeitschrittes
QSTO	Während des Zeitschrittes gespeicherte Wärmemenge (Speicherwand und Fluid)
QAV	Mittlerer Wärmestrom durch den Speicher (Speicherwand und Fluid QSTO/TIMEINT)
QAVI	Mittlerer Wärmestrom vom Fluid zum Speicher
QAVO	Mittlerer Wärmestrom vom Speicher an die Umgebung
RALPHI	Berechneter Wärmeübergangskoeffizient Fluid-Speicher
RALPHO	Berechneter Wärmeübergangskoeffizient Speicher-Umgebung
RASTO	Berechnete Wärmeaustauschfläche Fluid-Speicher
RWDFL	Berechnete Dicke der Fluid-Schicht
RTHFL	Berechnete Fluid-Kanal-Wanddicke
RWDPCM	Berechnete Dicke der PCM-Fluid-Schicht
RTHPCM	Berechnete PCM-Behälter-Wanddicke
RMSTO	Gesamte Speichermasse
RMPCM	Gesamtmasse PCM-Fluid
RVFLUID	Fluidvolumen
MFLUID	Fluidmasse
RTAMB	Umgebungstemperatur
DIFNUMB	Diffusionszahl (relevant für numerische Stabilität und Rechengenauigkeit, hat die gleiche Bedeutung wie der Vorgabewert TLSF)
TIMEINT	Integrationszeit (aktuelle Zeitschrittweite)
TIMETOT	Gesamte Integrationszeit seit Beginn der Rechnung (Zeitreihe)
TIMESUB	Sub-Zeitschrittweite
ISUB	Anzahl der Sub-Zeitschritte im aktuellen Zeitschritt
TISUBREC	Empfohlene Sub-Zeitschrittweite, die sich aus der Annahme DIFNUMB=TLSF ableitet
PREC	Genauigkeit der Rechnung: normierte Differenz zwischen der vom Fluid aufgenommenen und der dem gesamten Speicher (PCM-Fluid + Wände) und Umgebung zugefügten Wärmemenge während des gesamten Zeitschritts
PRECPCM	Genauigkeit der Rechnung im PCM-Fluid

Verwendete Physik / Gleichungen

Die Berechnung des Bauteils 166 beruht auf dem Algorithums 2D-Gitter mit Crank-Nicolson-Verfahren analog zum Bauteil 119. Der Unterschied zum Bauteil 119 besteht darin, dass in Bauteil 166 Speicherwand aus mehreren Schichten besteht. Zu diesen Schichten gehören die Wand des Fluid-Kanals, PCM-Fluid selbst und die Wand des PCM-Behälters. Den größten thermischen Widerstand und die größte thermische Masse besitzt dabei die PCM-Fluid-Schicht. Diese PCM-Fluid-Schicht wird in der Richtung normal zur Fluid-Strömung mit NRAD Elementen aufgelöst. Die Fluid-Kanal- und PCM-Behälterwand werden dagegen jeweils mit nur einem Element in der strömungsnormalen Richtung aufgelöst.

Die Tatsache, dass PCM-Fluid im flüssigen Zustand fließt und somit zusätzlich zur Wärmeleitung eine freie Konvektion entsteht, kann über den Korrekturfaktor CLMPCM berückscihtigt werden. In der numerischen Lösung der Wärmeleitungsgleichung im 2D-Gitter wird keine Strömung zwischen den Gitterelementen berücksichtigt.

Die Zeitschrittweite des globalen Zeitschrittes (definiert durch die Intervale im Zeitreihen-Dialog) und des Sub-Zeitschrittes (definiert im Bauteil durch FTSTEPS, TISTEP,, TLSF) sind wichtig für die Genauigkeit und Stabilität der Berechnung. Die Genauigkeit der Einhaltung der Energiebilanz zwischen Fluid und Speicher gibt der Ergebniswert PREC. Der Ergebniswert PRECPCM gibt die Genauigkeit der Berechnung im PCM-Fluid. Eine zusätzliche Hilfe für die Wahl der Sub-Zeitschrittweite stellt die numerische Diffusionszahl dar (Ergebniswert DIFNUMB). Es wird empfohlen, den Sub-Zeitschritt so zu wählen, dass die numerische Diffusionszahl der Größenordnung 10 nicht überschritten wird. Dazu kann man den Parameter FTSTEPS=0 setzen und den Parameter TLSF steuern (Standardwert ist TLSF=10)

Alle PCMs ändern ihre Dichte / spez. Volumen beim Phasenübergang (fest-flüssig oder flüssig-fest) um ca. 9-11%. Damit ändert sich das Volumen der PCM-Schicht im Speicher. Die Änderung des Volumens führt auch zur Änderung der Wärmeaustauschfläche zwischen Fluid und Speicher. Die Definition der PCM-Fluid-Masse erfolgt im ersten Init-Schritt der Zeitreihe über die Vorgabe de Geometrie (Definition des PCM-Behälters) und Anfangstemperatur. Die Temperatur gibt an, in welchen Aggregatzustand sich das PCM-Fluid befindet und somit wird die Dichte im Anfangszustand bekannt. Aus der PCM-Fluid-Dichte und PCM-Behälter-Volumen ergibt sich die PCM-Fluid-Masse, die in den folgenden Zeitschritten nicht mehr verändert wird.

Kennlinien und Matrizen

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

CMFL: Masse des Fluids im Speicherelement dV (nicht in allen Fällen aktiv)
CUFL: Innere Energie des Fluids im Speicherelement dV (nicht in allen Fällen aktiv)
CDFL: Teil-Wärmeströme zwischen Fluid- und Speicherelement
CHFL: Enthalpie des Fluids im Speicherelement dV
CTFL: Temperatur des Fluids im Speicherelement dV
CMPCM: Masse des PCM-Fluids im Volumenelementen (in Strömungsrichtung aufgeteilt, in wandnormaler Richtung zusammengefasst)
CSTAT: Thermodynamischer Zustand des Fluids an den Leitungen

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

RAMFL: Masse des Fluids im Speicherelement dV (nicht in allen Fällen aktiv)
RAUFL: Innere Energie des Fluids im Speicherelement dV (nicht in allen Fällen aktiv)
RADFL: Teil-Wärmeströme zwischen Fluid- und Speicherelement
RAHFL: Enthalpie des Fluids im Speicherelement dV
RATFL: Temperatur des Fluids im Speicherelement dV
RAMPCM: Masse des PCM-Fluids im Volumenelementen (in Strömungsrichtung aufgeteilt, in wandnormaler Richtung zusammengefasst)
RASTAT: Thermodynamischer Zustand des Fluids an den Leitungen

Spezifikations-Matrizen MXTSTOPCM, MXLAMSTOPCM, MXCPSTOPCM, MXRHOSTOPCM und Ergebnis-Matrizen RXTSTOPCM, RXLAMSTOPCM, RXCPSTOPCM, RXRHOSTOPCM

Die Matrix MXTSTOPCM ist mit dem Ausgabefeld RXTSTOPCM auf die gleiche Weise verknüpft wie die oben genannten Kennlinien und Ergebniskurven. Die Verteilung der Werte im Speicher und den Fluiden wird in beiden Matrizen (Vorgabematrix MXTSTOPCM für den Zeitschritt t-1 und Ergebnismatrix RXTSTOPCM für den Zeitschritt t) abgelegt.

Aufbau der Matrizen siehe Matrizen bei BT 160.

Bauteilform

Form 1

Beispiel

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