Dynamische Simulation und Analyse des Wärmeübergangs eines Kohlenstoffdioxid Kreisprozesses

Abstract

In dieser Arbeit wird eine dynamische Simulation einer Versuchsanlage des Instituts für Energietechnik und Thermodynamik (TU Wien) erstellt, in deren Hauptkreislauf Kohlenstoffdioxid fließt. Das Ziel besteht darin, mit Hilfe der Simulation das dynamische Verhalten der Anlage wie beispielsweise beim Wechsel von Betriebszuständen abzubilden. Es werden alle notwendigen Komponenten möglichst realitätsgetreu abgebildet und die notwendigen Flüssigkeiten, die nicht von der Software bereitgestellt werden, modelliert. Zu den abgebildeten Komponenten zählen Ventile, Wärmetauscher, ein Tank, eine Pumpe sowie die Verrohrung, deren Funktionsweise und Aufbau detailliert beschrieben werden. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf zwei hintereinander geschaltete Wärmetauscher, in denen das Medium sowohl kondensiert als auch gekühlt wird und anhand derer die Berechnung des Wärmeübergangs evaluiert wird. Es war notwendig, weitere Gleichungssysteme aus der Literatur zur Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten in das Modell zu implementieren, da die von der Software zur Verfügung gestellte Gleichung zur Berechnung der Kondensation nicht tauglich ist, um die realen Bedingungen zufriedenstellend abzubilden. Im Modell ist eine Steuerlogik eingebaut, durch die sich die Zustände im Modell selbständig einregeln. Zusätzlich sind SCL-Codes geschrieben worden, die es ermöglichen, die Abläufe eines bestimmten Experiments automatisiert ablaufen zu lassen. Die Resultate der Experimente werden in Form von ausgewählten Parametern, wie dem Wärmeübergangskoeffizienten oder den abgeführten Wärmeströmen in den betrachteten Wärmetauschern, aufbereitet.

In this work, a dynamic simulation of an experimental plant of the Institute for Energy Systems and Thermodynamics (Vienna University of Technology) is created, in whose main circuit carbon dioxide flows. The aim is to use the simulation to map the dynamic behaviour of the plant, for example when changing operating states. All necessary components are mapped as realistically as possible and the necessary fluids that are not provided by the software are modelled. The mapped components include valves, heat exchangers, a tank, a pump as well as the piping, whose function and structure are described in detail. The main focus is on two heat exchangers connected in series, in which the medium is both condensed and cooled and on the basis of which the calculation of the heat transfer is evaluated. It was necessary to implement further equation systems from the literature for calculating the heat transfer coefficient in the model, as the equation provided by the software for calculating condensation is not suitable for satisfactorily representing the real conditions. A control logic is built into the model, through which the states in the model regulate themselves independently. In addition, SCL-Codes have been written that make it possible to run the sequences of a particular experiment automatically. The results of the experiments are processed in the form of selected parameters, such as the heat transfer coefficient or the dissipated heat flows in the heat exchangers under consideration.