Inhalt

Informationssicherheit und TISAX
Klimaziele im Fokus: Simulation von Wasserstoffsystemen
Ein Wasserstoff-Technologie- und Innovationszentrum in der Region Braunschweig?
Alles automatisiert mit der MoBA Automation
Neue Regelungstechnik im Prüfstand
Entwicklungsbegleitung bis zur Serie
Berechnung von Mehrphasenströmung in neuartigen Kühlsystemen
Weiterbildung im Homeoffice: Online-Trainingskurse

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Informationssicherheit und TISAX

Zum Schutz der uns anvertrauten Informationen und Daten verwenden wir seit längerem ein Informationssicherheits-Managementsystem. Zu diesem System sind nunmehr die TISAX-Ergebnisse verfügbar.
Weitere Informationen finden Sie auf der Seite ISO 9001 und TISAX.

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Klimaziele im Fokus: Simulation von Wasserstoffsystemen

In unserer TIL Add-On Bibliothek Hydrogen Energy Systems entstehen weitere Stoffdaten-, Komponenten- und Systemmodelle, die den Entwurf und die Bewertung zukünftiger Wasserstoffenergiesysteme ermöglichen.

Im Bereich der Modellierung und Simulation von Wasserstoffsystemen können wir bei TLK auf eine langjährige Erfahrung aus zahlreichen Dienstleistungs- und Forschungsprojekten zurückgreifen. Mit unseren vielseitigen Softwarewerkzeugen bieten wir für die unterschiedlichen Fragestellungen dieses Gebiets geeignete Lösungen an.

Basierend auf diesem Wissen und den entsprechenden Werkzeugen haben wir, gemeinsam mit unseren Kunden und dem Institut für Thermodynamik, verschiedene Wasserstofftankstellenkonzepte modelltechnisch beschrieben und analysiert. Abbildung 1 stellt diese Konzepte vereinfacht dar. Die hier gezeigten unterschiedlichen Varianten – flüssige (LH2) und gasförmige (CGH2) tankstellenseitige Wasserstoffspeicherung, Kaskadierung von Pufferspeichern und direkte Kompression als Betriebsstrategie sowie variable fahrzeugseitige Druckgastanksysteme (Typ-III/ Typ IV) – wurden von uns bereits modelliert.

Viele unserer Softwarewerkzeuge kommen bei der Simulation von Wasserstoffsystemen sinnvoll zum Einsatz. Für die modellgestützte Auslegung dieser Systeme ist eine exakte Stoffdatenberechnung unerläßlich. Bspw. muss bei der Betrachtung von Wasserstoff im tiefkalten Bereich berücksichtigt werden, dass er mit zwei verschiedenen Kernspinkonfigurationen als Orthowasserstoff und als Parawasserstoff auftritt. Die Unterschiede zeigen sich u.a. in der spezifischen isobaren Wärmekapazität (siehe Abb.2 a). Die notwendige exakte Stoffdatenberechnung für Wasserstoff können wir mittels der in der TIL Suite 3.9.1 enthaltenen Stoffdatenbibliothek TILMedia 3.9.1 durchführen. Daneben kann diese Bibliothek aber auch für die effiziente und robuste Berechnung der thermophysikalischen Eigenschaften einer Vielzahl von Reinstoffen und Stoffgemischen eingesetzt werden.

Die TIL Suite und ihre Add-Ons werden in Zusammenarbeit mit dem Institut für Thermodynamik kontinuierlich verbessert und ausgebaut. Bedarfe für neue Funktionsumfänge und Anforderungen hinsichtlich der industriellen Anwendbarkeit werden im Zuge des täglichen Einsatzes in unseren Forschungs- und Dienstleistungsprojekten ermittelt. Auch kundenspezifische Entwicklungen von Modellbibliotheken für die Auslegung und Optimierung von PEMFC- und SOFC-Systemen werden in dieser Hinsicht ausgewertet.

Unser Softwareprodukt DaVE kommt bei der anwenderfreundlichen Auswertung und der Visualisierung stationärer sowie dynamischer Effekte in komplexen Systemen zum Einsatz. Die Verwendung der MoBA Automation ermöglicht die flexible Erstellung und Abarbeitung von umfangreichen Simulationsstudien und Workflows. Im Zusammenspiel mit der Optimization Suite wird darüber hinaus eine effiziente System- und Komponentenauslegung erreicht.

Mit unserer Expertise unterstützen wir Sie bei der Modellierung und Auslegung Ihrer Wasserstoffsysteme. Haben Sie (kunden-)spezifische Anforderungen und Wünsche – bspw. für die Bereitstellung einer Komponenten- und Systemmodellbibliothek oder eines Workflows –, die wir in der MoBA Automation realisieren können? Auch in dieser Hinsicht sind wir Ihnen gerne behilflich.

Für mehr Informationen kontaktieren Sie bitte Ingo Frohböse (i.frohboese@tlk-thermo.com) oder besuchen Sie unsere Produktseiten.

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Ein Wasserstoff-Technologie- und Innovationszentrum in der Region Braunschweig?

Gemeinsam mit der TU-Braunschweig engagieren wir uns für das Technologie- und Innovationszentrum Wasserstofftechnologie am Standort Braunschweig-Salzgitter.
Nähere Informationen finden Sie in der Pressemeldung der Allianz für die Region.

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Alles automatisiert mit der MoBA Automation

MoBA Automation 2.1 ermöglicht eine Vereinfachung der Parametrierung umfangreicher Arbeitsabläufe, Ergebnisse sind schneller zugänglich. Die neue Version bietet weitere Use-Cases für Prüfstand-Automatisierung, Messdatenauswertung und Modell-Regressionstests.

Software zur Automatisierung von Arbeitsabläufen

Unsere Software MoBA Automation ermöglicht die Automatisierung von individuellen Arbeitsabläufen für die modell- oder messdatengestützte Entwicklung, Analyse und Optimierung technischer Systeme. Nutzer können beispielsweise umfangreiche Simulationen oder Messungen automatisiert auswerten, individuelle automatisierte Berichte und Dokumentationen (PowerPoint, PDF, etc.) erstellen oder Simulationen im Verbund ausführen. Weitere Bespiele finden Sie auf der Seite MoBA Automation.

Release der Version 2.1

Die MoBA Automation Version 2.1 steht seit Dezember 2020 zum Download bereit. Die wichtigsten Neuerungen werden im Folgenden kurz erklärt. Natürlich arbeiten wir auch weiterhin mit viel Freude und Enthusiasmus an neuen Funktionen zur Verbesserung der Ergonomie unserer MoBA Automation. Sollten Sie Anregungen haben, treten Sie bitte mit uns in Kontakt: E-Mail an Philipp Ebeling (p.ebeling@tlk-thermo.com).

Vereinfachte Handhabung komplexer Arbeitsabläufe durch neue Interface Tasks

In komplexen Arbeitsabläufen verwenden viele Tasks in der Regel die gleichen Eingangswerte (bspw. Parameterdateipfade oder Zielverzeichnisse). Die in der Vorgängerversion – im Fall einer veränderten Anwendung – notwendige Anpassung der Parameter in allen einzelnen Tasks erwies sich als unkomfortabel. Außerdem waren die Ausgangswerte des Arbeitsablaufs nur dezentral über die jeweiligen Tasks zugänglich, was einen schnellen Zugriff auf wichtige Ergebnisse erschwerte.

Über neue Interface-Tasks können Eingangs- und Ausgangswerte global definiert und durch Connections mit einzelnen Tasks verknüpft werden. Die Verbindungen sind mittels eines farblichen Akzents gekennzeichnet, bleiben jedoch ausgeblendet. Somit ist die Übersichtlichkeit der graphischen Darstellungen trotzdem gegeben. Weiterhin stellen die Werte der Interface-Tasks einen Filter für die Inputs und Outputs des Workflows dar. Wird der Arbeitsablauf als Teil eines ganzen Arbeitsprozesses in einen übergreifenden Arbeitsablauf instanziiert, so werden primär nur Parameter bzw. Konnektoren der Interface-Tasks angezeigt.

Weitere neue Funktionen

• Ein neuer Command-Aufruf ermöglicht z.B. die zielgerichtete Nachinstallation von Python-Modulen für eine in der MoBA Automation registrierte Python-Umgebung (siehe „Edit“ in der Werkzeugleiste)
• Schnellzugriff auf die Ausgabedateien über das Kontextmenü in der Status-Ansicht
• Schnelleres Lesen von großen Mat-Dateien in den Datenverarbeitungstasks
• MDF-Dateien (MF4) können jetzt über alle Datenverarbeitungstasks der Standard Task Library gelesen werden
• Viele neue Funktionen und Anpassungen für eine einfachere und intuitivere Erstellung von Arbeitsabläufen im Configurator View

Einsatz der MoBA Automation am Prüfstand

Die MoBA Automation hat in den letzten Monaten in vielen Arbeitsbereichen nicht nur bei TLK neue Anwendungen gefunden. Insbesondere bei Versuchen auf unseren Prüfständen übernimmt sie vermehrt die vollständige Auswertung, Analyse und PDF-Dokumentation der Messdaten eines einzelnen Tags und setzt diese in Relation zur gesamten Messkampagne.

Ein Arbeitsablauf mit Erkennung stationärer Zustände bietet in der MoBA Automation die Möglichkeit, im laufenden Betrieb eingeregelte Messpunkte zu validieren und das Anfahren des nächsten Messpunktes auszulösen. Hierdurch kann wertvolle Prüfstandzeit eingespart werden.

Modellregressionstests zur Qualitätssicherung

Für die Qualitätssicherung von Modellbibliotheken stehen in der MoBA Automation Regressionstests in Form von vorgefertigten Arbeitsabläufen in einem Task-AddOn zur Verfügung. Die wiederholte Durchführung von Modell-Simulationen und entsprechenden Auswertungen führt dazu, dass Fehler bei Modifikationen schnell erkannt und behoben werden können. Die Regressionstests bieten Auswertungen hinsichtlich folgender Aspekte:

• Einfacher Simulationserfolg
• Vergleich von Zeitverläufen oder Simulations-Endwerten mit einer Referenz
• Abgleich bzw. Validierung von Gültigkeitsbereichen der Modelle
• Strukturelle Analyse von Modelica-Modellen (Gleichungssystem, Translation-Log, etc.)

Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Philipp Ebeling (p.ebeling@tlk-thermo.com).

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Neue Regelungstechnik im Prüfstand

Mit neuartigen Konzepten können wir in unseren Kältemittelverdichter-Prüfständen hochdynamische Regelungen durchführen. Anwendung finden sie z.B. bei Raffertests im Dauerlauf.

Aufgrund unserer langjährigen Erfahrung mit Kältemittelverdichtern sind wir in der Lage, unsere Prüfstände im Dauerbetrieb für hochdynamische Raffertests oder Temperaturwechseluntersuchungen zu nutzen. Online werden Degradationseffekte am Prüfstand bewertet und in Echtzeit mit Erfahrungswerten oder als Software-in-the-loop-Modell abgeglichen. Dadurch können Alterungserscheinungen sowie Schäden frühzeitig festgestellt werden.
Weitere Informationen liefert Ihnen Christian Seck (c.seck@tlk-thermo.com).

Entwicklungsbegleitung bis zur Serie

Was viele nicht wissen: Zu unseren Dienstleistungen gehört auch die experimentelle Begleitung der Entwicklung von Thermomanagement-Gesamtsystemen – im Bereich Heizen und Kühlen von Fahrgastraum und Batterie.

Wir passen unser Messkonzept an Ihre Aufgabenstellung an. Die Vermessung der einzelnen Komponenten des Gesamtsystems stellt die Basis unserer gemeinsamen Arbeit dar. Die anschließende Vermessung und Bewertung innerhalb eines Gesamtkonzepts sowie die Begleitung bis hin zur Serie baut darauf auf. Insbesondere Aktuatoren und Sensoren, die im Bussystem kommunizieren, können von uns auch im Gesamtsystem bewertet werden. Lediglich die von Ihnen zur Verfügung gestellte LIN- oder CAN-Buskonfiguration des Zielsystems ist für eine Integration der Komponenten notwendig.
Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Norbert Stulgies (n.stulgies@tlk-thermo.com).

Darüber hinaus bieten wir auf unseren 820 m² Prüfstandsfläche folgende Messmöglichkeiten an. Im Bereich der Komponenten führen wir u. a. Untersuchungen zu folgenden Bauteilen durch:

• Kältemittelverdichter u. a. für R-744, R-134a, R-1234yf, R-290, sowie weitere Kältemittel (Leistungsmessung, detaillierte Analyse, Entwicklungsbegleitung etc.)
• Wärmeübertrager Kältemittel / Luft, Kältemittel / diverse Fluide (Leistung, Vereisungsdetektion, Enteisungsstrategien, Entwärmung etc.)
• Expansionsventile
• Pumpen
• Lüfter / Gebläse
• Kältemittelsammler (Füllkurven)
• Leckagemessungen
• Befeuchter für Brennstoffzellen
• Materialien (Explosive Dekompression von Elastomeren u. a. unter R-744)
• Heat Pipes zur Wärmeübertragung
• Thermische Eigenschaften von Batteriemodulen
• Temperierung von Batteriemodulen / Batteriepacks
• Untersuchung von Kältemittel-Öl-Gemischen
• Unterstüzung bei der Messsystemerprobung

Im Bereich der Erprobung von Gesamtsystemen haben wir Erfahrung und Untersuchungsmöglichkeiten u. a. für:

• Prüfstand zur Untersuchung umschaltbarer Wärmepumpen für den mobilen Bereich (auch R-744, inkl. Batteriekonditionierung)
• Hochtemperaturkältekreis für Butan und R-1234ze(Z)
• Akustische Untersuchung von Strömungsgeräuschen in Kältekreisen
• Klimakammer u. a. für Langzeittests von Komponenten oder z.B. zur Untersuchung von stationären Wärmepumpen
• Unterstützung beim Prüfstandsdesign (Regelungsstrategien u. a.)
• Wassergewinnung aus der Umgebungsluft (Forschungsprojekt)

Die durchgeführten Messungen ergänzen wir bei Bedarf durch eine umfangreiche und thermodynamisch fundierte Aufbereitung der Messdaten mit unseren hauseigenen Softwaretools.
Es ist uns ein besonderes Anliegen, die Wünsche unserer Kunden schnell und flexibel umzusetzen. Entsprechend Ihren Vorstellungen realisieren wir in unserem Versuchslabor neue Prüfstände, mit denen wir Ihre Fragestellungen untersuchen und die von Ihnen gewünschten Messdaten erfassen.

Für weitere Informationen zu unseren Versuchseinrichtungen kontaktieren Sie bitte Norbert Stulgies (n.stulgies@tlk-thermo.com) oder Nicholas Lemke (n.lemke@tlk-thermo.com).

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Berechnung von Mehrphasenströmung in neuartigen Kühlsystemen

Im Rahmen des Forschungsprojekts e-Tractiv baut TLK seine CFD-Kompetenzen im Bereich Mehrphasenströmungen aus. Mit STAR-CCM+ werden hier neuartige Kühlsysteme modelliert.

TLK arbeitet im Bereich der Feldberechnung seit neuestem auch hausintern mit der Software STAR-CCM+, um beispielsweise komplexe Mehrphasenströmungen abzubilden. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf dispersen Mehrphasenströmungen, wie sie in Wärmeübertragern auftreten. Durch eine detaillierte Modellierung kann hier beispielsweise die Kältemittelverteilung simuliert und über Geometrieanpassungen verbessert werden.

Interoperabilität

Ein wichtiger Aspekt unserer 3D-Modelle ist die Interoperabilität zu unseren 0D/1D-Systemmodellen. Mit Hilfe von TISC oder dem FMI-Standard sind wir in der Lage, komplexe thermische Fragestellungen mit gekoppelten Simulationen zu beantworten. So arbeiten wir aktuell beispielsweise im Rahmen des öffentlich geförderten Projekts e-Tractive – in einem Konsortium mit Siemens, Infineon und der Uni Bayreuth – an innovativen Kühlkonzepten. Gemeinsam erforschen wir effiziente Kühlkörper für Leistungselektroniken, die der Traktion von Regionalzügen dienen, und koppeln dafür detaillierte 3D-CFD Simulationen mit 0D/1D Systemmodellen.

Optimierung

Im Automotive Bereich konnten wir im vergangenen Jahr das Projekt SiCModul erfolgreich abschließen, wodurch wir unser Kompetenzspektrum im Bereich der Modellierung und Simulation von aktiven Kühlkonzepten für Leistungselektroniken erweitert haben. Zentraler Forschungsgegenstand des Projekts war die vollautomatische Optimierung einer Pin-Fin-Geometrie unter Berücksichtigung von Wärmetransport und Druckverlust des Kühlkörpers. In diesem Zusammenhang kam die Optimization Suite zum Einsatz: Wir verwendeten sie – mit Hilfe des Python Interfaces in Skripten – zur Ansteuerung des Pre-Processing Werkzeugs ANSA.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie bitte Björn Flieger (b.flieger@tlk-thermo.com).

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Weiterbildung im Homeoffice: Online-Trainingskurse

Wir veranstalten vom 15. - 19. März 2021 eine Online-Schulung zu Modelica und TIL.
Weitere Informationen hierzu und zu weiteren Kursen sind bei den Schulungen zu finden.

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Newsletter Übersicht

Inhalt

Wasserstoff-Systemsimulationen mit Brennstoffzelle, Elektrolyseur und weiteren Komponenten

CFD-Simulation mit kryogenem Wasserstoff

Entwicklung hybrider physikalisch-datenbasierter Modellierungstechniken

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Wasserstoff-Systemsimulationen mit Brennstoffzelle, Elektrolyseur, Befeuchter, Wasserabscheider und weiteren Komponenten

In unserer TIL Add-On Bibliothek „Hydrogen Energy Systems“ entstehen Modelle für verschiedene Typen von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren. Zusammen mit den zusätzlich enthaltenen Balance-of-Plant-Modellen - für Befeuchter, Wasserabscheider, Ventile, Rohrleitungen sowie diverse Strömungsmaschinen - ermöglicht die Bibliothek stationäre und dynamische Systemsimulationen rund um die Brennstoffzelle.

Im Zentrum der Simulation eines Brennstoffzellen-Systems – basierend auf unserer TIL Add-On Bibliothek „Hydrogen Energy Systems“ – steht ein flexibel und einfach zu parametrierendes Stapelmodell. Abbildung 1 zeigt ein solches System: Die Sauerstoffversorgung des Stapels erfolgt hier über einen Verdichter, Wärmeübertrager und Befeuchter (Kathode, Abbildung 1 rechts). Die Wasserstoffversorgung beinhaltet eine Rezirkulation und ein Purgeventil, um nicht gewünschten Stickstoff von der Anode abzulassen (Abbildung 1, links). Zusätzlich wird der PEM-Brennstoffzellenstapel mithilfe interner Kühlkanäle und eines externen Kühlsystems im gewünschten Temperaturbereich betrieben.

Aufgrund der numerisch robusten Modellierung der Komponenten- und Systemmodelle kann ein solches System sowohl unter stationären als auch unter dynamischen Betriebsbedingungen effizient simuliert werden. Ein hochdynamisches Beispiel bildet das Purgen des Anodenkreises mit einer Zweipunktregelung. In Abbildung 2 ist – im Rahmen einer exemplarischen Simulation – der Verlauf der Stickstoffkonzentration sowie der aus dem Purgen resultierende Systemverlust über der Zeit dargestellt.

Im TIL Add-On liegen flexible Basismodelle für PEMFC- und SOFC-Stapel bereit. Diese beinhalten fundamentale Reaktionsgleichungen der elektrochemischen Zellen. Beispielsweise wird, ausgehend von der reversiblen Zellspannung, die Klemmspannung berechnet. Hierzu werden die relevanten Verluste aus der Aktivierungsüberspannung, aus der elektrischen und ionischen ohmschen Überspannung sowie aus der Stofftransportüberspannung berücksichtigt (siehe Abbildung 3). Für die Beschreibung dieser Verlustmechanismen sowie des Wärme-, Stoff- und Ladungstransports sind austauschbare und erweiterbare Korrelationen hinterlegt. Diese Optionen ermöglichen eine individuelle, auf kundenspezifische Bedürfnisse ausgerichtete Modellanpassung und Parametrierung.

Die Berechnung und Verwendung thermophysikalischer Stoffeigenschaften ist in allen Modellen unabdingbar. Dank der Stoffdatenbibliothek TILMedia können auch chemische und elektrochemische Reaktionen in den Brennstoffzell-Modellen exakt und äußerst schnell energetisch bilanziert werden. Reaktionswärmen sowie thermoneutrale und reversible Zellspannungen können temperatur-, druck- und konzentrationsabhängig aus den hinterlegten Funktionen zur Berechnung der Gibbsenergie ermittelt werden (siehe Abbildung 4).

Für die Entwicklung der Brennstoffzellenstapel- und Systemmodelle kann TLK-Thermo auf langjährige Erfahrung aus diversen Dienstleistungs- und Forschungsprojekten zurückgreifen. Brennstoffzellensimulationen und Komponentenvermessungen für den Automobil- und Luftfahrtbereich erfolgen entweder direkt bei TLK oder auch in Kooperation mit dem Institut für Thermodynamik der Technischen Universität Braunschweig. Die PEMFC- und SOFC-Stapel-Modelle des kommenden Oktober-Releases TIL 3.11 basieren auch auf unserer langjährigen Programmiererfahrung mit Modelica in Dymola. In Zukunft werden wir weitere Typen von Brennstoffzellen und Elektrolyseuren entwickeln, wobei wir uns gerne nach Ihren Wünschen richten. Sprechen Sie uns bitte auch bei anderen Fragestellungen aus dem Bereich Wasserstoff an, zu denen wir für Sie modellieren, simulieren oder vermessen können.

Ansprechpartner Wasserstoff: Dr. rer. nat. André Thüring
Ansprechpartner TIL Suite: Dipl.-Ing. Ingo Frohböse

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CFD-Simulation mit kryogenem Wasserstoff

Wasserstoff (H2) spielt in unserer Energieversorgung eine zunehmend wichtige Rolle. Für verschiedene Anwendungen der Speicherung und des Transports von H2 werden präzise Modelle zur Abbildung komplexer Phänomene benötigt. Am Beispiel eines Wirbelrohres zeigen wir, unter Berücksichtigung von Real-Gas-Verhalten bei hohen Geschwindigkeiten, Möglichkeiten der 3D-Feldberechnung.

Flüssiger Wasserstoff (LH2) wird zukünftig eine wichtige Rolle beim Transport, der Speicherung sowie bei Tanksystemen von Wasserstoff für Flugzeuge und LKW spielen. Effiziente Prozesse zur Kühlung sind eine grundlegende Voraussetzung für die Verflüssigung von Wasserstoff. Die sogenannte Wirbelröhre – bzw. ein Ranque-Hilsch-Wirbelrohr (Abbildung 1) – ist eine für diese Prozesse in Frage kommende Komponente. Sie ist deshalb gut geeignet, weil sie ohne bewegliche Teile auskommt und die Aufteilung eines Gasstroms (grüne Pfeile) in zwei Ströme mit einem signifikanten Temperaturunterschied (roter Pfeil, blauer Pfeil) ermöglicht.

Das Anwendungsspektrum des Wirbelrohrs reicht von Druckgas- bis Flüssigwasserstoff: An Wasserstoff-Tankstellen kann das Wirbelrohr zur Konditionierung von Druckgaswasserstoff genutzt werden. Bei der Speicherung von LH2 kann es zur Boil-Off-Gas Reduktion sowie Flüssigkeitsunterkühlung durch einen im Wirbelrohr integrierten Para-Ortho-Katalysator zum Einsatz kommen (sog. Heisenberg Vortex Tube).

Um das Verhalten der Wirbelröhre mit Hilfe einer 3D-Strömungssimulation abbilden zu können, verwenden wir Star-CCM+. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten (ca. 0,8 Ma) und der gleichzeitig niedrigen Temperaturen setzen wir in Star-CCM+ einen gekoppelten Strömungslöser mit einem Real-Gas Modell nach Redlich-Kwong ein. Für eine Ermittlung der notwendigen Parameter des Stoffdatenmodells bei einem Para/Ortho Verhältnis von 1 zu 3 nutzen wir TILMedia.

Die Ergebnisse der Simulation sind in Abbildung 1 dargestellt. Anhand der Stromlinien sind das resultierende Strömungsfeld sowie die Kontur der Temperatur im Schnitt sichtbar. Die zu erwartende Aufteilung der Massenströme in eine kalte und eine warme Strömung ist hierbei deutlich erkennbar. Dieses Bild stimmt mit den Beobachtungen aus den Veröffentlichungen in [2] und [3] qualitativ überein. Das in der Simulation berechnete Temperaturfeld weist eine hohe Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Veröffentlichung von Matveev [1] auf. Die Absenkung der totalen Gastemperatur zwischen Einlass und kaltem Auslass beträgt in der von TLK durchgeführten Simulation 8,94 K. Dies entspricht einer Abweichung von 0,05 K bzw. 0,6 % zu den Ergebnissen von Matveev.

Die hohe Genauigkeit unserer Simulationsergebnisse schafft die Grundlage für Systemsimulationen sowie Potentialanalysen zur Integration des Wirbelrohrs in die Wasserstoffwirtschaft.

Ansprechpartner CFD: Dr.-Ing. Björn Flieger
Ansprechpartner TILMedia: Dipl.-Ing. Ingo Frohböse

[1] Matveev, 2021, Numerical Simulations of Cryogenic Hydrogen Cooling in Vortex Tubes with Smooth Transitions
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Vortex_tube
[3] Taha et al., 2013, Vortex Tube Air Cooling: The Effect on Surface Roughness and Power Consumption in Dry Turning

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Entwicklung hybrider physikalisch-datenbasierter Modellierungstechniken

TLK erforscht im Rahmen des Forschungsprojekts PHyMoS an Modellen und Methoden, die eine gezielte Kombination physikalischer und datenbasierter Ansätze erlauben. Hybride Modellierungstechniken ermöglichen flexible Lösungen – entsprechend der Datenlage, der notwendigen Geschwindigkeit und der geforderten Genauigkeit.

Ziel des derzeit laufenden Projekts PHyMoS (Proper Hybrid Models for Smarter Vehicles) ist die Entwicklung von Methoden und Werkzeugen zur automatisierten Generierung sogenannter „Proper Models“. Der Begriff „proper“ (deutsch: angemessen) bezeichnet in diesem Zusammenhang das Erreichen der geforderten Modellgenauigkeit bei gleichzeitig minimaler Komplexität. Proper Models können mit Hilfe von hybriden Modellierungsmethoden, in denen Modelle aus physikalischem Wissen und datenbasierten Ansätzen kombiniert werden, entstehen. Das Konsortium des vom BMBF geförderten Projekts umfasst drei Hochschulen (Universität Augsburg, TU Braunschweig und FH Bielefeld) sowie sechs Unternehmen (Bosch, ESI ITI, LTX, Modelon, XRG und TLK), wobei wir vor allem Kenntnisse in unserem Kernkompetenzfeld der Modellierung thermischer Systeme einbringen.

Rein physikalische Modelle besitzen bei entsprechend detaillierter Modellierung eine hohe Genauigkeit sowie gute Extrapolationseigenschaften. Sie basieren auf einem System physikalisch motivierter Gleichungen, das durch einen geeigneten Simulator gelöst wird. Datenbasierte Modelle basieren hingegen auf der Verwendung umfangreicher Datensätze. Die hier verwendeten Modellierungstechniken reichen von einfachem Polynom-Fitting über Machine Learning Techniken (z.B. Deep Learning) bis zur Modellreduktion (z.B. mittels Proper Orthogonal Decomposition – POD). Datenbasierte Modelle erlauben – verglichen mit physikalischen Modellen – häufig eine deutlich recheneffizientere Modellauswertung. Diese hohe Recheneffizienz geht jedoch zumeist mit einer unzureichenden Extrapolierbarkeit einher. Eine gezielte Kombination der Vorteile beider Modelle soll zu einem Proper Model führen.

Die Projektpartner von PHyMoS arbeiten deshalb an hybriden physikalisch-datenbasierten Modellierungstechniken. Es werden Methoden entwickelt, mithilfe derer die Rechengeschwindigkeit detaillierter physikalischer Modelle durch gezielte Verwendung datenbasierter Ansätze gesteigert werden kann. Weiterhin werden Methoden untersucht, die mithilfe von physikalischen und datenbasierten Modellierungstechniken die Genauigkeit und den Gültigkeitsbereich bestehender Modelle verbessern sollen. Beispielsweise kann die Genauigkeit eines physikalischen Modells erhöht werden, indem dieses Modell – auf der Grundlage von Daten – um bisher nicht-modellierte Phänomene ergänzt wird. Andererseits kann der Informationsgehalt datenbasierter Modelle – und damit auch ihre Genauigkeit sowie Extrapolationsfähigkeit – durch das Einarbeiten physikalischen Wissens vergrößert werden. Mithilfe der im Rahmen von PHyMoS entwickelten Methoden und Werkzeuge soll also eine anwendungsspezifische Optimierung bestehender Modelle ermöglicht werden.

Wir bei TLK stellen unseren Kunden Methoden, Modelle und Software unter Verwendung offener Standards zur Verfügung. In Zukunft wollen wir hier auch auf Erkenntnisse aus dem Projekt PHyMoS und auf den Ansatz der Proper Models zurückgreifen. Für Fragen zum Projekt oder zur Modellierung thermischer Systeme mit Proper Models sprechen Sie uns gerne an.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Andreas Varchmin und B.Sc. Henrik Schatz

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Newsletter Übersicht

Inhalt

Verflüssigung von Wasserstoff
Visualisierung thermischer Systeme mit DaVE 2.3
Release MoBA Automation 2.2 mit Draft-Mode und Ready-to-Use-Workflows
Bestimmung der Kältemittel-Leckage
Ausweitung unserer Kompetenz zu Öl in Kältemittelkreisläufen
Trainingskurse für Modelica und TIL

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Verflüssigung von Wasserstoff

Am Beispiel des Linde-Hampson-Verfahrens demonstrieren wir für Sie die Simulation von Wasserstoff-Verflüssigung mit dem TIL Add-on Hydrogen-Energy-Systems sowie die Visualisierung der Ergebnisse in DaVE.

Die Bedeutung von Wasserstoff als Energieträger nimmt insbesondere für mobile Anwendungen weiter zu. Für eine effiziente Speicherung lässt sich Wasserstoff bei einer Temperatur von etwa 20 K verflüssigen. Um diese Tieftemperatur zu erreichen, kann das Linde-Hampson-Verfahren angewendet werden. Der Gesamtprozess lässt sich – zunächst in vereinfachter Form – mit TIL-Standardkomponenten modellieren (Abbildung 1). So lassen sich sowohl stationäre als auch dynamische Simulationen durchführen. TLK stellt darüber hinaus auch die TIL Add-On Bibliothek Hydrogen-Energy-Systems (kurz „TIL H2“) zur Verfügung. Sie enthält weitere Speicher und Druckgefäße sowie Wasserstoff-Tankstellensysteme. Im Herbst-Release werden zunächst Modelle für Brennstoffzellensysteme mit weiteren BoP Komponenten hinzukommen und in TILMedia erfolgen Stoffdatenerweiterungen für die Wasserstoffverflüssigung. In nachfolgenden Releases stellen wir weitere Modelle, beispielsweise für Elektrolyseure, zur Verfügung. Dabei richten wir uns gerne nach Ihren Wünschen.

Im Folgenden erklären wir die einzelnen, in der Abbildung dargestellten Schritte der Wasserstoffverflüssigung.

Compressed-gaseous-Hydrogen supply (CGH2 supply)

Zunächst wird gasförmiger (Normal-)Wasserstoff aus handelsüblichen Druckgasflaschen mit einem Druckminderer auf einen zu wählenden Prozesshochdruck gedrosselt. Wasserstoff erwärmt sich bei dieser Drosselung aufgrund des (noch) negativen Joule-Thomson-Koeffizienten.

Precooling

Es folgt eine näherungsweise isobare Wärmeabfuhr in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager. Der Wärmeübertrager ermöglicht einen Energieaustausch zwischen dem einströmenden warmen Wasserstoff und dem den Prozess ausströmenden kalten Wasserstoff.

Precooling with liquid Nitrogen (LN2)

Der bereits vorgekühlte Wasserstoff wird nun mithilfe von verdampftem Stickstoff in einem nachgeschalteten Gegenstrom-Wärmeübertrager weiter heruntergekühlt, bevor er durch einen Behälter mit Flüssigstickstoff geleitet wird. Der heruntergekühlte gasförmige Wasserstoff besitzt nun eine Temperatur von annähernd 77 K und befindet sich gleichzeitig etwa auf dem Druckniveau, das mit dem Druckminderer eingestellt wurde.

Linde-Hampson-Prozess

Der Wasserstoff strömt in einen dritten Gegenstrom-Wärmeübertrager. Nun beginnt der Linde-Hampson-Prozess. Dabei wird der Wasserstoff im stationären Fall mit Wasserstoffdampf vorgekühlt (Zustandsänderungen 1-2 bzw. 5-6 in den Abbildungen 1-3). Es folgt eine isenthalpe Drosselung, bei der der Wasserstoff vom Prozesshochdruck in das Zweiphasengebiet entspannt wird (2-3). Während der Drosselung übertritt der Wasserstoff seine Joule-Thomson-Inversionslinie und wärmt sich daher zunächst auf, kühlt dann aber insgesamt ab. Während der dampfförmige Anteil des Wasserstoffs (Zustand 5) zur Vorkühlung des in den Gegenstrom-Wärmeübertrager eintretenden Wasserstoffs (Zustand 1) benutzt wird, kann der flüssige Anteil (Zustand 4) entnommen werden. Der rückströmende gasförmige Wasserstoff durchläuft anschließend alle genannten Gegenstrom-Wärmeübertrager zur Vorkühlung des CGH2 und wird nahe Umgebungsdruck und -temperatur in die Umgebung entlassen. Alternativ kann er mit einem Verdichter wieder in den Prozess eingebracht werden.

Mithilfe des hier dargestellten TIL-Modells einer Wasserstoff-Verflüssigungsanlage können vielfältige Aussagen getroffen werden. Neben der Komponenten- und Systemauslegung erlaubt die Modellierung auch eine detaillierte Analyse der Einflussgrößen, z.B. der Wärmeübertrager-Geometrien, der Druckniveaus und des Durchsatzes auf die Effizienz des Prozesses. Gleichermaßen können mit TIL geeignete Regelungen entworfen und getestet werden.

Die Ergebnisse lassen sich anschließend in DaVE über die Zeit visualisieren und auswerten. Dazu bieten sich unter anderem ph- oder Ts-Diagramme an. In Abbildung 2 und Abbildung 3 sind diese Diagramme beispielhaft für den stationären Linde-Hampson-Prozess mit Normalwasserstoff nach der Flüssigstickstoff-Vorkühlung gezeigt. Die nummerierten Zustände finden sich auch in Abbildung 1 wieder.

Ansprechpartner Wasserstoff: Dr. rer. nat. André Thüring
Ansprechpartner TIL: Dipl.-Ing. Ingo Frohböse
Ansprechpartner DaVE: Dr.-Ing. Roland Kossel

Gerne unterstützen wir Sie bei Ihren Fragestellungen rund um wasserstoffbasierte Energiesysteme. Auch freuen wir uns über Ihre Anregungen und Ideen.

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Visualisierung thermischer Systeme mit DaVE 2.3

Mit dem neuen Release 2.3 unserer Visualisierungs- und Simulationsumgebung DaVE können Sie nun auch Mollier-hs-Diagramme erstellen, Zeit-Offsets verschiedener Datenquellen beeinflussen und DaVE noch besser in LabVIEW einbinden.

Release von DaVE 2.3

In Kürze stellen wir Ihnen den DaVE-Installer für die Version 2.3 zum Download bereit. Die aktuelle Version 2.3 enthält zahlreiche Neuerungen und Verbesserungen, von denen im Folgenden nur die Wichtigsten genannt werden.

Mollier-hs-Diagramm

Mit dem hs-Diagramm steht Ihnen nun ein weiteres Zustandsdiagramm zur Verfügung, mit dem Informationen zur spezifischen Enthalpie und Entropie sowie zu Temperatur, Druck und Dampfgehalt dargestellt werden können. Das Mollier-hs-Diagramm findet – neben dem ph-Diagramm – beispielsweise Anwendung in der Kraftwerks- oder in der Kältetechnik.

Zeiteinstellungen

Neue Optionen von Datenkonnektoren sowie der DaVE-Zeitleiste ermöglichen eine gezielte Auswahl der zu verarbeitenden Daten. Über die Vorgabe eines Offsets für die Zeitinformation können die einzelnen Datenkonnektoren relativ zueinander verschoben werden. Hierüber lassen sich z.B. Simulationsergebnisse einfacher mit Messdaten überein bringen. Die globale Vorgabe von zulässigen Minimal- und Maximalzeiten erlauben es, mit Ausschnitten von langen Datenquellen zu arbeiten.

Neue Optionen für Instrumente

Diverse Neuerungen gibt es auch bei den Instrumenten in DaVE. So können z.B. über eine neue Automatik sehr einfach Vektorplots von Werteverläufen in TIL-Komponenten erstellt werden. Neue Optionen – wie die Definition des zu verwendenden Dezimalzeichens oder die Autoskalierung von Plot-Achsen – ermöglichen die weitere Anpassung der Anzeige an die individuellen Bedürfnisse.

DaVE-LabVIEW-Interface

Die neue Version der Schnittstelle zwischen DaVE und LabVIEW erleichtert die Datenübertragung von LabVIEW an DaVE. Beliebige Visualisierungen wie z.B. Zustandsdiagramme, Liniendiagramme und RI-Schaltbilder mit aktuellen Zuständen können kontinuierlich im Messbetrieb angepasst werden, ohne das LabVIEW-Messprogramm ändern zu müssen. Bei der Entwicklung der Schnittstelle wurde auf eine einfache Integration in bestehende LabVIEW-Programme geachtet. Hierbei sind auch Erfahrungen aus dem hausinternen Messbetrieb eingeflossen.

Wir bedanken uns abschließend für Ihr wertvolles Feedback. Mit Ihren Vorschlägen haben Sie wesentlich zur Weiterentwicklung von DaVE beigetragen. Das DaVE-Team freut sich auf eine weiterhin gute Zusammenarbeit. Sprechen Sie uns an.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Roland Kossel

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Release MoBA Automation 2.2 mit Draft-Mode und Ready-to-Use-Workflows

Die MoBA Automation in der neuen Version 2.2 vereinfacht die Entwicklung umfangreicher Workflows. Dank standardisierter Ready-to-Use-Workflows kommen Sie noch schneller zum Ziel.

Der neue Draft-Mode zum kontinuierlichen Entwickeln von Workflows

Unsere Software MoBA Automation ermöglicht die Automatisierung von individuellen Arbeitsabläufen für die modell- oder messdatengestützte Entwicklung, Analyse und Optimierung technischer Systeme. Seit Ende April steht nun die Version 2.2 zum Download bereit.

Der neue Draft-Mode ermöglicht schrittweise den Aufbau und das Testen eines Workflows, ohne dass bereits erfolgreiche Tasks erneut ausgeführt werden müssten. Dadurch verkürzt sich die Entwicklungszeit, insbesondere weil z.B. Ergebnisse länger rechnender Simulationstasks nicht neu erzeugt werden müssen. Der Draft-Mode ist in der Toolbar der Configuration-Ansicht für den jeweiligen Workflow aktivierbar. Sind die Tasks erfolgreich (grüner Statusring), können diese über den Freeze-Befehl im Kontextmenü eingefroren werden (graue Füllung). Neue Tasks können nun dem Workflow hinzugefügt und ausgeführt werden.

Neues Konzept der Ready-to-Use-Workflows für z.B. Steady-State-Simulationen

Durch vordefinierte Eingabetabellen erleichtern Ready-to-use-Workflows die Implementierungen für typische Aufgaben-Klassen. Dazu gehören beispielsweise Steady-State-Simulationen in Dymola oder für FMUs, Dateivergleiche für Regressionstests sowie Messdatenabgleiche und regelungstechnische Analysen.

Ready-to-use-Workflows lassen sich mithilfe standardisierter In- und Outputs untereinander kombinieren. So können beispielsweise die Outputs des Workflows einer Steady-State-Simulationsstudie als Input der Workflows zur regelungstechnischen Analyse oder zur Messdatenvalidierung mit einer einzigen Taskverbindung genutzt werden. Die Steady-State-Simulations-Workflows für Dymola-Modelle und FMUs ermöglichen es, die unterschiedlichen Fragestellungen im Rahmen einer Simulationsstudie mit nur einem Workflow zu erfassen. Zur Bedatung müssen lediglich der Dateipfad zur ausgefüllten Tabellenvorlage, die Modelldateipfade und die Anzahl der parallelen Simulationsinstanzen vorgeben werden. Der Workflow bietet:

• Ablage aller relevanten Simulations- und Ergebnisdateien mit Zeitstempel im Zielordner
• Extraktion aller Zeitverläufe definierter In- und Outputvariablen im CSV-Format
• Schnelle Visualisierung jedes einzelnen Simulationsergebnisses in unserem DaVE
• Überprüfung der Ergebnisse auf Steady-State und auf die Einhaltung von Limits
• Zusammenfassung der jeweils letzten Simulationswerte und des Checks in einem Datenblatt
• Darstellung aller nicht gültigen oder abgebrochenen Simulationen auf einem Datenblatt

Weitere maßgeschneiderte Lösungen

Neben den Standard-Tasks bieten wir unseren Kunden auf Wunsch weitere Lösungen an, die für spezielle Automatisierungsaufgaben eingesetzt werden können. Bitte sprechen Sie uns an, wenn wir Sie bei der Umsetzung Ihrer Workflows unterstützen können.

Die Liste aller neuen Features des Release 2.2 können sie den Release Notes entnehmen.

Wir bedanken uns für Ihr wertvolles Feedback, das wesentlich zur Weiterentwicklung von MoBA beigetragen hat. Natürlich arbeiten wir auch weiterhin mit viel Freude und Enthusiasmus an der Verbesserung der Ergonomie unserer MoBA Automation. Sollten Sie Anregungen haben, treten Sie bitte mit uns in Kontakt.

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Philipp Ebeling

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Bestimmung der Kältemittel-Leckage

Mithilfe unseres neuen SHED-Kammer-Prüfstands können wir Sie nun auch bei der Bestimmung Lastenheft-konformer Jahresleckageraten unterstützen.

Komponenten aus dem Kälte- und Wärmepumpenkreis sollen - im Hinblick auf Umweltverträglichkeit und Wartungsintervalle - möglichst wenig Kältemittel in die Atmosphäre entweichen lassen. Im Lastenheft des Systemherstellers sind daher maximal zulässige Leckageraten angegeben. Auf unserem neuen SHED-Kammer-Prüfstand können wir die Kältemittelleckage verschiedener Komponenten für Umgebungsrandbedingungen von -30°C bis 80°C und unterschiedliche vorgegebene Füllmengen vermessen. Dazu bestimmen wir zunächst die zeitliche Zunahme der Kältemittelkonzentration im Kammervolumen, welches die Komponente umgibt. Auf dieser Basis ermitteln wir einen Wert zur Vorhersage der prognostizierten Jahresleckage.

Die Anlage ist für die Vermessung von Komponenten konzipiert.Zukünftig ist auch die Möglichkeit vorgesehen, die Leckagerate von Gesamtanlagen zu vermessen. Sprechen Sie uns gerne an.

Darüber hinaus bieten wir vielfältige Messungen an. Neu sind die Untersuchungsmöglichkeiten von folgenden Komponenten und Gesamtsystemen:

• Wärmeleit- und dämmschichten
• Füllkurven, Gesamtperformance, Anfahrverhalten, Ölverteilung auf unserem Prüfstand zur Untersuchung umschaltbarer Wärmepumpen für den mobilen Bereich (auch R-744, inkl. Batteriekonditionierung)
• Kompaktanlagen für den mobilen Einsatz

Die durchgeführten Messungen ergänzen wir bei Bedarf durch eine umfangreiche und thermodynamisch fundierte Aufbereitung der Messdaten mit unseren hauseigenen Softwaretools.

Es ist uns ein besonderes Anliegen, die Wünsche unserer Kunden schnell und flexibel umzusetzen. Entsprechend Ihren Vorstellungen realisieren wir in unserem Versuchslabor neue Prüfstände, mit denen wir Ihre Fragestellungen untersuchen und die von Ihnen gewünschten Messdaten erfassen. Sprechen Sie uns an.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing Norbert Stulgies und Dr.-Ing. Nicholas Lemke

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Ausweitung unserer Kompetenz zu Öl in Kältemittelkreisläufen

TLK führt die F&E-Aktivitäten zum Thema Öl in Kältemittelkreisläufen fort. Nach Abschluss des For-schungsprojekts KÖVER starten wir mit ERNI ein weiteres Forschungsvorhaben in diesem Bereich.

Weltweit werden etwa drei Milliarden Kühl-, Klima- und Wärmepumpensysteme betrieben, die Öl zur Schmierung des Kältemittelverdichters enthalten. Die Energieeffizienz, die Leistungsfähigkeit sowie das Systemverhalten dieser Anlagen werden stark von der Kältemittelfüllmenge beeinflusst, die wiederum wesentlich von der Schmierölmenge abhängt. Im kürzlich abgeschlossenen Projekt KÖVER erforschte TLK zusammen mit der TU Braunschweig die Kältemittel-Öl-Verteilung in Kältekreisläufen. Methoden zur Ölverteilungsmessung konnten erfolgreich entwickelt und in ersten Folgeprojekten eingesetzt werden.

Im Rahmen von KÖVER wurden u.a. neue Messverfahren zur Bilanzierung der Kältemittel-Öl-Verteilung erarbeitet. Beispielsweise zeigt die hierbei entwickelte Methode zur gravimetrischen Bestimmung der Massenverteilung von Kältemittel und Öl im System eine hohe Güte der Messergebnisse sowie eine gute Reproduzierbarkeit der Messungen.

Gleichermaßen entstanden durch KÖVER neue Berechnungsmodelle. Unter anderem implementierten wir die entwickelten Methoden zur Berechnung des Gemischverhaltens in die Bibliothek TILMedia. Auch wurde hier eine umfangreiche Schnittstelle zur externen Stoffdatenbibliothek Multiflash erstellt.

Mit Echtzeit-Berechnungsverfahren können wir nun Ölzirkulations-Raten (OCR) modellbasiert mithilfe von Sensorsignalen bestimmen.

Hinsichtlich der Auswirkungen von Ölfüllmengen auf Kühl-, Klima- und Wärmepumpensysteme ergaben sich im Verlauf von KÖVER weitere Fragestellungen, die von TLK und der TU Braunschweig im Forschungsprojekt ERNI (Erfassung der Nichtgleichgewichtszustände von Kältemittel-Öl-Gemischen zur energetischen Optimierung und Emissionsreduktion von Kompakt-Kaltdampfsystemen) genauer beleuchtet werden sollen. Zielsetzung des neuen Projekts ist die Erforschung und Entwicklung einer neuartigen Modellbibliothek, welche die dynamische Simulation von Kompakt-Kaltdampfsystemen unter Berücksichtigung der Nichtgleichgewichts-Zustände des Kältemittel-Öl-Gemisches ermöglicht. Ferner soll ein simulationsgestütztes Ölfüllmengen-Reduktionsverfahren zur Verfügung gestellt werden. Die prototypische Modellbibliothek soll abschließend an verschiedenen Wärmepumpensystem ausgetestet werden.

Für weitere Fragen zu den Projekten KÖVER und ERNI sowie zum Thema Öl in Kältemittelkreisläufen sprechen Sie uns gerne an.

Ansprechpartner: Dipl.-Ing Norbert Stulgies und M.Sc. Andreas Mecklenfeld

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Trainingskurse für Modelica und TIL

Zusammen mit unserem Partner TLK-Energy bieten wir ab September 2021 wieder Online und On-Site Trainingskurse für Modelica und TIL an. Die genauen Termine finden Sie hier.

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