Effizientere Kühlschränke mit 0D/1D-Simulation entwickeln

Mit dem Pariser Abkommen über den Klimawandel hat sich die Welt verpflichtet, den Anstiegstrend der Treibhausgasemissionen umzukehren.

Die Forschung im Bereich der Kältetechnik investiert in immer effizientere Lösungen, die die CO2-Emissionen minimieren, ohne die Sicherheit und den Komfort für den Kunden zu beeinträchtigen.

Zu den verwendeten Strategien gehören die Auswahl der Komponenten, die Änderung der Kontrollstrategie oder die Variierung der Kältemittelflüssigkeit.

Wir sehen heute, wie die modellbasierte Simulation von Simcenter Amesim genutzt werden kann, um die Entwicklung eines immer ökologischeren Kühlschranks zu fördern.

Step 1: Modellieren

Das hier gezeigte Diagramm stellt einen Kühlschrank mit Frostschutzsystem und Ein-Aus-Steuerung dar.

Stellen wir es in Simcenter Amesim dar und gehen dabei von der Kompressor-Kondensator-Verdampfer-Austauschereinheit des Kühlkreislaufs aus.

Die Amesim-Skizze ist eine Zusammenstellung von Modellierungselementen, die der Benutzer aus den Softwarebibliotheken entnimmt und die als “modellbasiert” definiert wird und diese dann miteinander verbindet, um das Schema darzustellen, das der Physik des realen Produkts am nächsten kommt…

Diese erste Skizze von Amesim wird es uns ermöglichen, die Kühlleistung des thermodynamischen Zyklus zu simulieren, die von den Eigenschaften der in den Zyklus eingesetzten Komponenten und deren Leistung beeinflusst wird.

Wir gehen nun dazu über, die Volumen des Kühlschranks, des Gefrierschranks und der Materialien der Wände darzustellen (siehe das Detail der Wärmekapazitäten der Materialien auf der rechten Seite des Bildes). Dieser Teil der Skizze, mit virtuellen “Sensoren”, ermöglicht es, die Temperaturen in den beiden Volumen und die der Lebensmittel während eines simulierten Arbeitszyklus zu ermitteln.

Step 2: Simulation

Legen wir nun die Randbedingungen fest:

• die Temperatur der äußeren Umgebung
• die Eigenschaften der thermischen Steuerung des Gefrier- und Kühlschrankbereichs, wobei ein Sensor die Aktivierung des Kompressors regelt, um die Temperatur zu senken, wenn sie 3 Grad bzw.
• 18 Grad überschreitet.

Egal ob für eine elektromechanische Presse oder für herkömmliche hydraulische oder mechanische Pressen, die technische Abteilung muss Lösungen finden, um die bei der Bewegung betroffenen Massen zu kontrollieren und Vibrationen, Stöße oder unerwünschte Beschleunigungen zu vermeiden.

Um die Güte der im Modell eingestellten Ein-/Aus-Regelung zu überprüfen, simulieren wir das Verhalten des Kompressors. Wir können aus der Grafik die Eingriffe des Kompressors erkennen, um die Temperaturen unter den vorgegebenen Werten zu halten

Weiter unten sehen wir:

• die vom Verdampfer in Watt ausgetauschte Wärme, in blau, was uns über den Nutzeffekt des Kühlkreislaufs informiert, der über einen Zeitraum von 24 Stunden ausgewertet wird.
• den thermodynamischen Zyklus in einem Augenblick der Simulation.

Step 3: Beibehaltung des Effizienzniveaus mit Wechselrichter-Steuerungssystem

Nehmen wir an, es handelt sich um eine Veränderung der Anlage und ein Wechselrichtersystem wird eingeführt.

Wir bewerten die Auswirkungen der Veränderung auf die Arbeit des Kompressors, und stellen mit Simcenter Amesim sicher, dass die Temperatur im Kühl- und Gefrierfach in einem 24-Stunden-Zeitraum immer innerhalb der festgelegten Werte bleibt.

Wir sehen, dass der Kompressor erst zu Beginn der Simulation mit voller Drehzahl läuft, sobald die voreingestellte Temperatur erreicht ist, wird die Arbeit des Kompressors auf ein Minimum reduziert, nur um die gewünschte Temperatur zu halten. Dies führt zu Energieeinsparungen im Vergleich zur herkömmlichen Ein/Aus-Lösung.

Die Simulationen von Simcenter Amesim unterstützen den Ingenieur bei der Validierung der Güte der Planungsscheidungen, bei der sofortigen und kostenlosen Überprüfung des Änderungsergebnisses auf Komponenten-, Architektur- und/oder Steuerungsstrategieebene.