Berechnung und Simulation von Verdichtern und Expandern
► Python, Modelica, GT-Suite, KVA
Sowohl für die Auslegung als auch die Nachrechnung und Überprüfung des Betriebsverhaltens von Verdichtern ist der Einsatz rechnerischer Verfahren nützlich und ratsam und mitunter sogar unabdingbar. Viele relevante Effekte und Zusammenhänge sowie deren Auswirkungen auf den Verdichter lassen sich auf andere Art und Weise nicht oder nur mit unangemessen hohem Aufwand untersuchen.
Bei der Berechnung und Simulation stellen sich vor allem die Fragen, in welchem Umfang und Detailgrad die Problemstellung modelliert und welche Software für die Bearbeitung genutzt werden soll. Bei der Wahl einer zweckmäßigen und vorausschauenden Vorgehensweise ergibt sich daraus eine Vielzahl an Möglichkeiten: Beispielsweise interessieren bei einer Kälteanlage meist nur wenige Kenngrößen des Kältemittelverdichters, die sich auf den Kreislauf auswirken (v. a. Massestrom und Energiebedarf), sodass eine überblicksartige Berechnung genügt. Es können aber auch spezifische Erkenntnisse zu einzelnen Komponenten, z. B. zu Ventilen und Dichtungen, erforderlich sein, sodass eine sehr detaillierte Simulation durchzuführen ist. Darüber hinaus verlangen die unterschiedlichen Verdrängerprinzipien aufgrund ihrer Geometrie und Funktionsweise oft unterschiedliche Betrachtungsweisen bzw. unterschiedliche Programmstrukturen.
Die Möglichkeiten und Anforderungen für Studierende sind daher in diesem Themenkomplex sehr vielfältig und es ergeben sich interessante Aufgabenstellungen für alle, die Problemstellungen gern am Computer bearbeiten und hierfür leistungsfähige programmiertechnische Lösungen und einfallsreiche Algorithmen austüfteln.
Aktuelle Aufgabenstellungen
Im Rahmen eines Forschungsprojektes bei J.P. Sauer & Sohn wird aktuell eine Kompressoranlage zur Verdichtung von CO2 speziell unter den dynamischen Randbedingungen überkritischer Anwendungen entwickelt. Neben einem experimentellen Versuchsaufbau der zu einem späteren Zeitpunkt realisiert wird, soll ein modulares Simulationsmodell in der Software Dymola von Dassault Systemes unter Verwendung der TIL-Suite von TLK-Thermo aufgebaut werden, mithilfe dessen sich das Verhalten des Kompressors abbilden lässt.
Vorgesehen ist hierzu ein semi-empirisches Modell das im ersten Schritt die Reproduktion des erwarteten stationären Verdichterverhaltens aus der Vorauslegung erlaubt. Dabei ist die Anpassung des Modells mithilfe messtechnisch erfasster Daten aus dem Versuch vorzubereiten.
Zudem soll die Erweiterung des Modells auf instationäre Betriebszustände und Schaltvorgänge während des Betriebs konzeptionell ausgearbeitet werden, sodass eine spätere Integration in ein übergeordnetes Anlagenmodell ermöglicht wird.
Die Aufgabenstellung umfasst:
- Die Einarbeitung in die Softwares Dymola und TIL, sowie die Programmierumgebung Modelica.
- Den Aufbau eines semi-empirischen stationären Modells des Verdichters, das die Anpassung über später zu ermittelnde Messwerte am Versuchsaufbau ermöglicht.
- Die Konzipierung einer späteren Erweiterung des Modells auf instationäre Betriebsfälle.
- Die Präsentation der Ergebnisse im Hause Sauer, sowie die Übergabe des Simulationsmodells.
Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche, Dipl.-Ing. B. Bederna
Für die thermodynamische Berechnung von Verdrängermaschinen (insb. vom Typ Hubkolben, Wankel und Schrauben-Spindel) liegt eine intern entwickelte Software KVA (Kolbenverdichteranlagen) vor. Mit dieser Software können Verdrängermaschinen im Rahmen eines thermodynamischen 0D-Kammermodells sehr detailliert beschrieben und schnell berechnet werden. Die Software bzw. die dort verwendeten Methoden/Funktionen selbst basieren auf Skripten der Programmiersprache Fortran und sollen im Rahmen einer studentischen Arbeit auf die Programmiersprache Python übertragen werden. Um die Vorteile von Fortran weiterhin zu nutzen, soll der Code weitestgehend erhalten bleiben und als neue Python-Bibliothek umgesetzt werden (z.B. mittels F2PY = Fortran to Python interface generator). Ziel dieser Bibliothek ist es, ein komplettes Verdrängermaschinenmodell in Python auf Basis von Fortran-(bzw. KVA-)modulen erstellen zu können. Die Aufgabe umfasst folgende Arbeitsschritte:
- Einarbeitung in die bisherige Software KVA und die programmatischen Zusammenhänge (z.B. Klassen, Kapselung, …) und Parameter
- Einarbeitung in die Schnittstelle Fortran/Python (z.B. F2PY) und die notwendigen Deklarationen zur Einbindung von Fortran-Code in Python
- Erstellung einer Python-Bibliothek auf Basis der Fortran-Module unter Beachtung einer guten Benutzerfreundlichkeit (z.B. Parameterbezeichnungen und Dokumentation)
- Erstellung eines exemplarischen Verdichtermodells (auf Basis eines bestehenden Fortran-Modells) in Python
- Vergleich des Python basierten Verdichtermodells mit dem Fortran-Modell hinsichtlich Berechnungszeit und Ergebnisgüte
Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch
Die Europäische Union verfolgt mit dem European Green Deal das Ziel einer ressourceneffizienten Wirtschaft. U.a. wird die Verbesserung der Ressourceneffizienz und Langlebigkeit von Produkten angestrebt. Bei Kältemittelverdichtern spielt hierfür die Verringerung der genutzten Ressourcen wie Schmieröl eine entscheidende Rolle. Da es im Stand der Technik bisher nur vereinzelte Untersuchungen zu ölfreien Kälteanlagen und Wärmepumpen gab, sollen mittels eines Demonstrators die Potentiale des ölfreien Betriebs aufgezeigt werden.
Da bisher wenig Erfahrungen mit dem Betrieb ölfreier Scroll-Verdichter für Wärmepumpenanwendungen vorliegen, soll in einem ersten Schritt ein thermodynamisches Simulationsmodell für einen vorhandenen Verdichter erstellt werden.
Die Aufgabenstellung beinhaltet:
- Einarbeitung in die Themengebiete Scroll-Verdichter, Wärmepumpen, ölfreie Verdichtung und Kaltdampfkompressionsanlagen
- Einarbeitung in die Open-Source-Simulationssoftware PDSim
- Geometrische Vermessung der vorhandenen Scroll-Geometrie
- Erstellung eines thermodynamischen Modells des Scroll-Verdichters
- Zusammenfassung und Dokumentation der Herangehensweise, der Ergebnisse und Erkenntnisse
Betreuer: Dipl.-Ing. M. Joswig
Die Europäische Union verfolgt mit dem European Green Deal das Ziel einer ressourceneffizienten Wirtschaft. U.a. wird die Verbesserung der Energieeffizienz und der Langlebigkeit von Produkten angestrebt. Bei Kältemittelverdichter spielt hierfür die Verringerung der auftretenden Reibverluste eine entscheidende Rolle. Da die Einzelreibverluste nicht ausreichend bekannt sind, sollen diese mittels eines Simulationsmodells ermittelt werden.
Mit dem Simulationsprogramm GT-Suite sind prädiktive Reibverlust-Modellierungen möglich. Im Rahmen dieser Aufgabenstellung soll ein Modell für einen Hubkolbenverdichter für natürliche Kältemittel aufgebaut und erste Simulationen durchgeführt werden. Für die Bearbeitung steht ein PC mit notwendiger Software zur Verfügung.
Die Aufgabenstellung beinhaltet:
- Einarbeitung in die Themenfelder Kältemittelverdichter, Einsatzgrenzen-Diagramm, Kältemaschinenöle, Schmierungstechnik und Simulation mit GT-Suite
- Literaturrecherche hinsichtlich Predictive Friction Modeling
- Erstellung eines CAD-Modells für die Simulation anhand vorgegebener Verdichterbauteile
- Aufbau des Simulationsmodells in GT-Suite und Implementierung von ausgewählten Reibkontakten und Lagerstellen unter Berücksichtigung der Schmieröl-Kältemittel-Interaktion
- Simulation der Reibverluste in verschiedenen Betriebspunkten des Verdichters
- Vergleich der Einzelreibverluste und Vergleich zur gesamten Maschine (indizierte Arbeit, mechanischer Wirkungsgrad, etc.)
- Durchführung einer Parameterstudie (Oberflächenrauhigkeit, Ölviskosität, Geschwindigkeit, etc.) in einem ausgewählten Betriebspunkt, um Optimierungspotentiale hinsichtlich der Reibverluste aufzuzeigen
- Zusammenfassung und Dokumentation der Herangehensweise, der Ergebnisse und Erkenntnisse
Betreuer: Dipl.-Ing. M. Joswig
Schrauben-Spindel-Verdichter stellen eine Sonderform von Schraubenverdichtern da. Sie werden typischerweise in der Vakuumtechnik eingesetzt. In vorhergehenden Arbeiten wurde zunächst ein Berechnungstool namens „KVA-Spindel“ erstellt und Messungen mit einer bestehenden Schrauben-Spindel-Vakuumpumpe durchgeführt. Im Rahmen dieser Arbeit soll das Berechnungstool mithilfe der Messdaten validiert und durch gezielte Anpassung von Parametern optimiert werden. Die Aufgabe umfasst die folgenden Arbeitsschritte:
- Einarbeitung in bisherige Arbeiten zur Messung und zum Programm „KVA-Spindel“ sowie in Normen zur Verdichterleistungsmessung / -kennfeldern
- Aufbereitung und Auswertung der Messergebnisse
- Durchführung von Berechnungskampagnen mithilfe von „KVA-Spindel“ und den Messergebnissen zugrundeliegenden Betriebsparametern
- Vergleich von Messung und Berechnung und iterative Anpassung ausgewählter Berechnungsparameter
- Erstellung von Verdichterleistungskennfeldern mithilfe von einer Parameterstudie in „KVA-Spindel“
Betreuer: Dipl.-Ing. Th. Mösch
Bei Hubkolbenkompressoren werden durch das oszillierende Funktionsprinzip unvermeidlich Pulsationen erzeugt. Ihre Ausbreitung in die peripheren Leitungen und Anlagenteile kann verschiedene nachteilige Auswirkungen nach sich ziehen. Daher werden üblicherweise Maßnahmen getroffen, um die Pulsationen zu beeinflussen bzw. auf ein ausreichend niedriges Niveau zu verringern.
Ziel der Arbeit ist es, ein eindimensionales Simulationsmodell einer repräsentativen Kolbenkompressoranlage Basis von Open-Source-Softwaretools (z.B. OpenModelica) zu erstellen und zu testen. Die Anlage soll im Modell so abgebildet werden, dass das instationäre Verhalten der thermodynamischen und strömungsmechanischen Größen während des Betriebs wiedergegeben wird. Damit sollen dann Druckschwankungen, die der Kompressor erzeugt und die sich in der Anlage fortpflanzen, berechnet und untersucht werden. Das Modell soll so gestaltet werden, dass es für verschiedenste Anlagen angepasst werden kann und später dazu dienen, Pulsationen in Kompressoranlagen zu modellieren und zu verstehen.
Hierzu sind folgende Teilaufgaben zu bearbeiten:
- Einarbeitung in die Thematik der Kreuzkopfkompressoren und gasführender Anlagen sowie in die Funktionsweise und Handhabung einer geeigneten Simulationssoftware
- Erarbeitung eines vielseitigen, leistungsfähigen Simulationsmodells zur Berechnung der instationären thermo- und fluiddynamischen Vorgänge in einer Hubkolbenkompressoranlage
- Validierung des erarbeiteten Simulationsmodells
- Exemplarische Darstellung verschiedener Berechnungsfälle mit Erläuterungen
- Erstellung einer Benutzer-Dokumentation zum erarbeiteten Simulationsmodell
Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche
Für die Kolbenstangeninnenkühlung, die sich als vielversprechende Kühltechnologie für Kreuzkopfverdichter gezeigt hat, ist die Kolbenstange hohlzubohren. Dadurch wird auch die tragende Querschnittsfläche der Kolbenstange verringert, welche den wechselnden Belastungen im Verdichterbetrieb standhalten muss. Besonders diese Dynamik und die in diesem Fall zu berücksichtigende Versagensform des Knickens erschweren die korrekte Vorausberechnung und Aussagen zur Dauerfestigkeit. Daher soll in dieser Arbeit ein Berechnungsmodell entwickelt werden, mit dem das zeitliche Festigkeitsverhalten einer hohlen Kolbenstange in Abhängigkeit aller relevanten Belastungen und der geometrischen sowie werkstofftechnischen Eigenschaften ermittelt werden kann.
Betreuer: Dr.-Ing. K. Klotsche
Euer Ansprechpartner für den Themenbereich
wiss. Mitarbeiter
NameHerr Dr.-Ing. Konrad Klotsche
- Leiter Kompressorentechnik -
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wiss. Mitarbeiter
NameHerr Dipl.-Ing. Max Joswig
- Kompressorentechnik -
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wiss. Mitarbeiter
NameHerr Dipl.-Ing. Thomas Mösch
- Kompressorentechnik -
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► Mehrdimensionale FEM- und CFD-Simulationen
Euer Ansprechpartner für den Themenbereich
wiss. Mitarbeiter
NameHerr Dr.-Ing. Konrad Klotsche
- Leiter Kompressorentechnik -
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wiss. Mitarbeiter
NameHerr Dipl.-Ing. Sami Muin Sami Tuffaha
- Kompressorentechnik -
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