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


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.

Abbildung 1: Mit TIL modelliertes Linde-Hampson-Verfahren zur Wasserstoff-Verflüssigung.
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.

Abbildung 2: Veranschaulichung des Linde-Hampson-Verfahrens im p-h-Diagramm mit DaVE.
Abbildung 3: Veranschaulichung des Linde-Hampson-Verfahrens im T-s-Diagramm mit DaVE.

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.

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.
Ausschnitt eines exemplarischen Rankine-Prozesses im Mollier-hs-Diagramm.

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.
Exemplarischer Verlauf der Temperaturen in einem Gegenstrom-Wärmeübertrager, aufgetragen über die dimensionslose Länge.

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


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.

Der neue Draft-Mode erleichtert die Implementierung komplexer Workflows.

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.
Durch die einfache Bedatung des Ready-to-use-Workflows lassen sich existierende Arbeitsabläufe flexibel an neue Projekte anpassen.
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


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.

Kältemittelverdichter in der SHED-Kammer mit skizzierter Leckage und Erhöhung der Konzentration zu unterschiedlichen Zeitpunkten

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


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.

Ölströmung mit stark inhomogenem R744-Gehalt, sodass sich Schlieren und sogar Bereiche mit gasförmigen R744 (dunkler Bereich) ausbilden.

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


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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