Entwicklung eines digitalen strömungsmechanischen Modells der Wärmespeicher-Forschungsanlage TESIS:com

Kurzfassung

Aufgabe und Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit war es, ein strömungsmechanisches Modell der Flüssigsalzforschungsanlage TESIS:com mit der Software MATLAB/Simulink zu entwickeln. Um das Anlagenverhalten genau abzubilden, mussten die tatsächliche Anlage und ihre Komponenten so genau wie möglich erfasst und in das Modell übertragen werden. Essentiell für diesen Arbeitsschritt sind folgende Komponenten und deren Eigenschaften: 1) Wärmeträgermedium Solarsalz: Stoffeigenschaften 2) Behälter: Füllstand, Volumen und Positionierung der Pumpe 3) Pumpen: Pumpenkennlinien bei verschiedenen Drehzahlen 4) Ventile: Durchflussfaktoren in Abhängigkeit der Ventilstellung 5) Rohrleitungssystem: Geometrie, Einbauten und Druckverlust Das Modell wurde zunächst auf Grundlage der verfügbaren Datenblätter der Anlage sowie der zugehörigen Komponenten entwickelt (Modell Original) und eingehend hinsichtlich des physikalischen Verhaltens plausibilisiert. Ein Abgleich mit historischen experimentellen Daten zeigte jedoch deutliche Abweichungen des Modells vom tatsächlichen Anlagenverhalten. Eine Untersuchung der verschiedenen Einflussfaktoren hat gezeigt, dass den Pumpen und Ventilen ein entscheidender Beitrag zur korrekten Funktionsweise des Modells zuzuschreiben ist. Darüber hinaus können die Pumpen- und Ventilcharakteristika, aufgrund der Betriebsbedingungen in TESIS:com, Verschleiß oder Toleranzen durchaus von den Herstellerdaten abweichen. Der Druckverlust durch Rohrrohrreibung und andere Armaturen hat eine eher untergeordnete Rolle. Auf Basis dieser Erkenntnis wurde eine Methode zur Anpassung der Pumpen- und Ventilkennlinien entwickelt. Hierbei musste berücksichtigt werden, dass nur limitierte Daten zum Druck in der Anlage vorliegen. Darüber hinaus kann durch das gemeinsame Wirken von Pumpen und Ventilen deren Einfluss nicht immer scharf voneinander getrennt werden. Aus diesem Grund wurden im ersten Schritt sogenannte Anpassungsversuche durchgeführt, um die Teilabschnitte Kalt- und Heißkreis der TESIS:com-Anlage separat zu untersuchen. Dadurch konnten die Einflüsse der Komponenten zumindest in Teilen isoliert betrachtet und interpretierbare Messergebnisse generiert werden. Zunächst erfolgte die Anpassung der Pumpenkennlinien. Als Startpunkt wurden die Pumpenkennlinien des Herstellers bei 1750, 1330 und 950 rpm im Modell hinterlegt und durch Extrapolation mit einer weiteren Kennlinie bei 650 rpm ergänzt. Für den Modellabgleich standen Versuche bei den genannten Pumpendrehzahlen und vollständig geöffneten Ventilen zur Verfügung. Die ursprünglichen Pumpenkennlinien wurden dann in 5%-Intervallen verschoben, und die Kennlinie mit der geringsten Modellabweichung ermittelt. Eine Verschiebung der Kennlinie um +/-10% wird als realistisch eingeschätzt. Auf der Kaltkreisseite der Anlage ergab sich eine Verschiebung aller Pumpenkennlinien um 10% nach unten. Dies entspricht einem Verlust an Pumpenleistung und ist angesichts der langen Betriebszeit der TESIS:com-Anlage plausibel. Auf der Heißkreisseite mussten die Pumpenkennlinien individuell angepasst werden. Vor allem sind die Pumpenkennlinien bei 1750 und 1330 rpm hervorzuheben, welche 10% nach oben versetzt wurden. Auch eine solche Verschiebung wurde als plausibel erachtet, weil sich der Kennliniencharakter im eingebauten Zustand aufgrund zahlreicher Einflüsse verändern kann und keine Veränderungsrichtung prinzipiell auszuschließen ist. Mit Anpassung der Pumpenkennlinien ergab sich das Modell PK. Nach Abschluss der Anpassung der Pumpenkennlinien wurden die Ventilkennlinien optimiert. Die vorliegende Arbeit konzentrierte sich auf zwei Regelventile, jeweils eines auf der Kalt- und Heißkreisseite der Anlage (Ventile 2 und 5). Zur Anpassung der Ventilkennlinien wurden Versuche bei verschiedenen Pumpendrehzahlen und Ventilstellungen herangezogen. Es wurde die Annahme getroffen, dass sich die Ventilkennlinien im eingebauten Zustand deutlich in ihrer Form verändern können. Ein iteratives Verfahren wurde entwickelt und angewandt, um durch schrittweise Anpassung der Durchflussfaktoren der Ventile die Modellabweichung sukzessive zu reduzieren. Das Ergebnis der Anpassung der Ventilkennlinien ist das Modell PK&VK (Modell mit angepassten Pumpen- und Ventilkennlinien). Mit den durchgeführten Optimierungen des Modells konnte die ursprüngliche relative Abweichung hinsichtlich des Massenstroms von 23,3% (Modell Original) über alle Anpassungsversuche hinweg auf 13,0% (Modell PK&VK) reduziert werden. Ob eine physikalische Allgemeingültigkeit der Anpassungen angenommen werden kann, wurde durch eine zweite Messkampagne, den sogenannten unabhängigen Versuchen, überprüft. Hierfür wurden die Pumpendrehzahlen und Ventilstellungen nochmals gegenüber den ersten Experimenten variiert. Als äußerst positives Ergebnis zeigte sich, dass das Modell PK&VK auch die gemessenen Massenströme der unabhängigen Versuche mit einer mittleren Abweichung von 7,0% abbilden kann. Das Modell PK&VK kann für die Planung von Versuchen zuverlässig eingesetzt werden, solange die technischen Randbedingungen der hier erwendeten experimentellen Daten eingehalten werden. Die Modellentwicklung ist jedoch nicht abgeschlossen. Das Modell könnte präzisiert und die Einflüsse der verschiedenen Anlagenkomponenten differenzierter hinterlegt werden. Hierfür wären weitere Versuche mit nachgerüsteter Messtechnik notwendig. Darüber hinaus sind noch weitere Betriebszustände zu betrachten. Das Modell kann zudem um weitere grundlegende Elemente erweitert werden, wie etwa der Implementierung einer Regelung, von elektrischen Elementen (Pumpenantrieb) oder von Wärmeströmen.