Newsletter April 2024

Zwei Jahrzehnte TLK-Thermo GmbH

20 Jahre innovative Lösungen zu Messungen, Software und Simulationen

Seit über 20 Jahren erarbeiten wir bei TLK-Thermo innovative Lösungen zu Messungen, Software und Simulation für thermische Systeme und deren Komponenten.

 

Die TLK-Thermo GmbH, gegründet im Mai 2003, ist inzwischen zu einem Unternehmen mit mehr als 80 Expertinnen und Experten geworden.

 

In unseren nunmehr vier Versuchshallen mit insgesamt 1.500 m² Fläche vermessen wir auf zahlreichen spezialisierten Prüfständen Komponenten und Systeme. Aktuell nehmen wir einen weiteren leistungsstarken Systemprüfstand in Betrieb, mit dem wir Gesamtsysteme für das komplexe Thermomanagement elektrifizierter Fahrzeuge detailliert analysieren können.

 

Seit unserer Gründung haben wir bei TLK-Thermo neun eigene Softwareprodukte rund um die Modellierung, Simulation, Visualisierung und Automatisierung entwickelt, die wir beständig an neu entstehende bzw. sich verändernde Anforderungen anpassen. Hierbei unterstützen uns nicht nur die eigenen Kollegen aus Versuch und Simulation mit ihrem konstruktiven Feedback. Auch die enge und vertrauensvolle Zusammenarbeit mit unseren Kunden sowie mit der TU Braunschweig ist für die (Weiter-)Entwicklung unserer Softwarelösungen sehr hilfreich. Dafür möchten wir uns an dieser Stelle ausdrücklich bedanken. Exemplarisch für die stetige Weiterentwicklung unserer Produkte stellen wir Ihnen in diesem Newsletter die Neuerungen in TIL, DaVE und dem TLK Simulator vor.

 

In unserem Jubiläumsjahr 2023 haben wir intensiv an neuen Inhalten und einem Design-Rebrush der TLK-Homepage gearbeitet. Schauen Sie gerne einmal vorbei! Aufgrund der vielfältigen Veränderungen ist es dem Redaktionsteam erst jetzt möglich, unseren neuen – und in dieser Form auch letzten – Newsletter zu versenden. Zukünftig werden wir Ihnen regelmäßig innovative Fachartikel auf unserer Seite präsentieren. In unserem Newsletter werden wir Sie dann nur noch auf die jeweils neuen Inhalte hinweisen. Bereits jetzt berichten wir über aktuelle Entwicklungen auf LinkedIn. Folgen Sie uns dort gerne.

 

Herzlichen Dank an alle, die durch die vielen fachlichen und persönlichen Begegnungen die gemeinsamen Erfolge in den letzten zwei Jahrzehnten möglich gemacht haben.

 

Willi Tegethoff und Niko Lemke

Analyse von atmosphärischen CO2-Abscheideprozesse

Beispielhafte Analyse eines DAC-Verfahrens nach dem Adsorptionsprinzip

Direct-Air-Capture (DAC) bezeichnet technische Verfahren, durch die der Atmosphäre Kohlenstoffdioxid (CO2) entzogen wird. Das so gewonnene CO2 kann entweder für verfahrenstechnische Prozesse eingesetzt oder im Untergrund gespeichert werden. Mit der von TLK-Thermo entwickelten Software ist es möglich, unterschiedliche CO2-Abscheideverfahren abzubilden.

 

Die Abscheidung von CO2 aus der Atmosphäre ist aus mehreren Gründen sinnvoll. Die Ziele des Pariser Klimaabkommens sind ohne die Abscheidung von CO2 mit anschließender Speicherung im geologischen Untergrund nicht zu erreichen, wie der IPCC Weltklimabericht 2023 belegt. Gleichzeitig wird, bedingt durch die angestrebte Vermeidung von fossilem Kohlenstoff, atmosphärisches CO2 als Rohstoff in der chemischen Industrie benötigt. Um der Luft CO2 zu entziehen, können unterschiedliche Abscheideverfahren eingesetzt werden – je nachdem, ob es bei hohen Konzentrationen an der Emissionsquelle (sog. Punktquelle) oder bei niedrigen Konzentrationen direkt aus der Atmosphäre gewonnen werden soll.

 

Als Ausgangsbasis ist die TIL Bibliothek in Verbindung mit weiteren Softwarelösungen grundsätzlich dazu geeignet, solche Verfahren zu analysieren und zu bewerten, und dadurch Entscheidungsgrundlagen zu liefern. Wenn es sich speziell um Verfahren nach dem Adsorptionsprinzip handelt, können diese mit dem Add-On Adsorption der TLK Energy GmbH modelliert werden. Exemplarisch zeigt Abbildung 1 ein entsprechendes Simulationsmodell für ein DAC-Verfahren.

Abbildung 1: Simulationsmodell eines DAC-Verfahrens, modelliert mit der Komponentenbibliothek TIL und dem Add-On Adsorption

Im hier abgebildeten Simulationsmodell wird während der Adsorptionsphase durch die geöffneten Luftklappen Umgebungsluft mit Hilfe eines Lüfters über das Adsorbens geführt. Hierbei werden sowohl CO2 als auch Wasserdampf aus der Luft koadsorbiert. Wenn das Adsorbermaterial nahezu vollständig mit CO2 gesättigt ist, wird die Adsorptionskammer geschlossen. Mittels einer Vakuumpumpe wird die Kammer evakuiert, um den verbliebenen Restsauerstoff aus dem Volumen zu entfernen. Dies ist erforderlich, da das Adsorbermaterial bei hohen Temperaturen unter Anwesenheit von Sauerstoff degenerieren würde. 

 

Anschließend wird CO2 unter Zufuhr von Wasserdampf bei ca. 110°C und leichtem Unterdruck desorbiert und das CO2/H2O-Gemisch durch eine Vakuumpumpe abgesaugt. Nach dem Austritt aus der Adsorberkammer wird das Gemisch gekühlt, wodurch das Wasser auskondensiert und CO2 mit hohen Reinheitsgraden gewonnen wird. Am Ende der Desorptionsphase wird die Dampfzufuhr gestoppt und der Druck in der Adsorberkammer erneut stark abgesenkt. Dabei sinkt, primär aufgrund von desorbierendem Wasser, die Temperatur des Adsorbermaterials und ein erneuter Adsorptionsvorgang kann gestartet werden. Das abgeschiedene CO2 kann dauerhaft im Untergrund gespeichert oder als Grundstoff für die Chemieindustrie verwendet werden.

Abbildung 2: Druck- und Temperaturverlauf im Adsorbermaterial während einer Desorptionsphase

Abbildung 3: Beladung des Adsorbermaterials während einer Adsorptions- und Desorptionsphase

Die Simulationsergebnisse können in entsprechenden Grafiken dargestellt werden. So zeigt Abbildung 2 beispielsweise  Druck und Temperatur im Adsorbermaterial während der Desorption. Die Beladung des Adsorbermaterials mit CO2 und H2O während eines vollständigen Adsorptions-Desorptions-Zyklusses ist in Abbildung 3 dargestellt. Alternativ kann das Modell zur Simulation der Desorption unter Vakuumbedingungen mit interner Adsorberheizung und -kühlung verwendet werden.

 

Mit Hilfe unseres Modells sind wir in der Lage, den Energiebedarf und die Performance von DAC-Anlagen unter Variation der Umgebungsbedingungen und Anlagenparameter zu analysieren, sodass damit zusammenhängende Fragestellungen behandelt werden können. 

 

Für mehr Informationen zu DAC-Verfahren oder zur Abscheidung von CO2 aus Punktquellen sprechen Sie uns gerne an.

 

Ansprechpartner CO2-Abscheideverfahren:

Modellbibliothek TIL - Neuerungen der Software Releases

Neue Funktionalitäten und Modelle für die Simulation thermischer Systeme

Die TIL Suite ist eine umfassende Modelica-basierte Modellbibliothek für stationäre und transiente Simulationen von thermodynamischen Komponenten und Systemen. In diesem Beitrag stellen wir Ihnen die Verbesserungen sowie die neuen Funktionalitäten und Modelle (u.a. für Ventile, Wärmeübertrager inkl. Vereisung und Wärmeübergänge) des aktuellen und des in Kürze erscheinenden Releases vor.

 

Im aktuellen Release TIL Suite 3.15.1 (November 2023) sind u.a. die folgenden Verbesserungen und Modelle enthalten:

 

  • Verbesserte Bereitstellung von Funktionsableitungen 

In TIL und TILMedia wurden Funktionsableitungen ergänzt oder verbessert, insbesondere für die TIL HD Variante. Die Ableitungen können von Modelica-Lösern für die Erstellung der analytischen Jacobimatrix genutzt werden, wodurch sich die Simulationsgeschwindigkeit erhöhen kann.

 

  • Vier-Wege-Umschaltventile für Kältemittel

Das neue Release enthält ein beispielhaftes Systemmodell einer reversiblen Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Propan als Kältemittel, in dem ein Vier-Wege-Umschaltventil verwendet wird (Abbildung 1). Nutzer können dieses exemplarische Modell als Ausgangspunkt für eigene Systemmodelle verwenden.

 

  • Verbesserte Vereisungsmodelle

Die luftseitige Vereisung des Verdampfers beeinflusst signifikant die Leistung und Effizienz einer Wärmepumpe mit Luft als Wärmequelle (Abbildung 1). 

Deshalb beinhaltet das Release verbesserte Vereisungsmodelle, die sich durch eine übersichtliche Struktur sowie eine umfangreiche Dokumentation auszeichnen. Darüber hinaus wurde ein zusätzliches Modell ergänzt, so dass z.B. detaillierte Ansätze mit flexiblen und nutzerspezifischen Einstellungen für die Eisbildung verwendet werden können. 

Abbildung 1: TIL-Beispielsystemmodell einer Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Propan als Kältemittel. Das Modell kann u.a. zur Analyse der Vereisung und zyklischen Abtauung des Verdampfers verwendet werden

Im kommenden Release TIL Suite 3.16.0 (voraussichtlich April 2024) werden u.a. die folgenden neuen Funktionalitäten und Modelle enthalten sein:

 

  • Offset-Strip-Fin Wärmeübertrager 

Die Geometrie dieses Wärmeübertragertyps zeichnet sich durch versetzte Streifen-Lamellen aus. Er bietet in der Praxis eine Alternative zum Platten-Wärmeübertrager. In TIL kann der Offset-Strip-Fin Wärmeübertrager sowohl mit Kältemittel (VLEFluid) als auch mit inkompressiblen Flüssigkeiten (Liquid) verwendet werden.

 

  • Abbildung von Rückschlagklappen mittels Ventilmodellen

Ventil-Modelle für Gase und Orifice-Valve-Modelle für Liquids und VLE Fluids können nun über eine entsprechende Parametrierung Rückschlagklappen abbilden, sodass nur eine Strömungsrichtung zugelassen wird.

 

  • Erweiterungen und neues Komponentenmodell für thermische Widerstände

Die Erweiterung ermöglicht den Nutzern, durch Vorgabe unterschiedlicher Geometrien Wärmeübergänge für Wärmeleitung und Konvektion zu simulieren.

 

Weitere Informationen zur TIL Suite finden Sie hier

 

Ansprechpartner TIL:

SiC-Leistungshalbleiter für die S-Bahn von morgen

Reduzierung des Energiebedarfs durch simulative Untersuchungen

Im vergangenen Jahr konnten wir das Forschungsprojekt e-Tractiv erfolgreich abschließen. Neben der Abbildung von luftgekühlten Kühlkörpern mit Heatpipes wurde auch eine Siedebadkühlung für ein Modul mit IGBTs erprobt. 

 

Im Forschungsprojekt e-Tractiv untersuchten wir die Potentiale von SiC-Leistungshalbleitern für den Hochleistungseinsatz im Traktionssystem eines Schienenfahrzeuges des Regionalverkehrs (S-Bahn). Ziel war es, mittels systemischem Lösungsansatz eine Reduzierung des Energiebedarfs um ca. 15% für ein typisches S-Bahnfahrzeug zu erreichen. Diese Einsparungen sollten durch Innovationen sowohl im Traktionssystem (ca. 12%) als auch in den für die Kühlungen erforderlichen Hilfsbetrieben (ca. 3%) erzielt werden. Hierdurch wurden direkte Beiträge zur Effizienzsteigerung im Schienenverkehr sowie zur CO2-Reduktion geliefert.  In Zusammenarbeit mit den Projektpartnern (Siemens Mobility, Infineon, Uni Bayreuth) entwarf TLK-Thermo neue Kühlkonzepte und bewertete diese im Rahmen von hochaufgelösten Feldberechnungen. 

 

Fahrtwindkühler mit eingebetteten Heatpipes

In der ersten Projektphase wurden verschiedene Konzepte zur passiven Kühlung von SiC-Leistungshalbleitern mit einem Fahrtwindkühler erprobt. Wir untersuchten – neben einfachen Aluminiumkörpern – auch ein System mit eingebetteten Heatpipes (Abbildung 1). Der wesentliche Vorteil dieser Variante besteht darin, dass die einzelnen Temperaturmaxima  der auf dem Kühlkörper aufgebrachten Halbleitermodule enger zusammenliegen. Auf diese Weise konnten die Temperaturdifferenzen der mittleren Temperaturen der Module halbiert werden (Abbildung 2). Insgesamt konnte durch die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse ein Einsparpotential von 11,7 % (Hilfsbetriebe 2,8%, Traktionssystem 8,9 %) ermittelt werden.

Abbildung 1, links: Kühlkörper (grau) mit eingebetteten Heatpipes (rot) unter einer Lotschicht (orange); Mitte: beispielhafte Anordnung der IGBT-Module; rechts: Temperaturfeld in einer Schnittdarstellung

Abbildung 2: Mittlere Temperaturen an den Halbleitermodulen für unterschiedliche Kühlkörpervarianten

Siedebadkühlung

In der zweiten Projektphase wurde eine Kühlung mittels Siedebad untersucht. Der Projektpartner Uni Bayreuth führte dafür experimentelle Untersuchungen zur direkten Flüssigkeitskühlung in einem Modul mit IGBTs durch. Wir simulierten diese Experimente, indem wir ein Modell für eine Mehrphasenströmung mit einer stark vereinfachten Abbildung der Geometrie erstellten. Sowohl für die Referenzuntersuchung ohne Flüssigkeit als auch für die Untersuchung mit voll entsalztem Wasser konnte eine gute Übereinstimmung hinsichtlich der Temperaturen am IGBT erzielt werden. 

 

Durch die Projektarbeiten konnte TLK-Thermo seine CFD-Kompetenzen im Bereich Mehrphasenströmungen ausbauen.

 

Ansprechpartner Feldberechnung:

DaVE und Simulator Suite – Neue Software Releases

Erweiterung der Funktionalität von DaVE und der Simulator Suite

DaVE: Import von TIL-Grafiken und Export von Präsentationen; Simulator Suite: Setzen des FMU-Zustands, Steuerung mittels VBA und verbesserter Simulationskern

 

DaVE 2024.1

DaVE ist eine Visualisierungsumgebung, mit der wir Ihnen das Post-Processing, die Online-Darstellung dynamischer Daten und das Erstellen von R&I-Fließbildern ermöglichen. Die Software unterstützt verschiedene Datenquellen: nicht nur Dateien unterschiedlicher Formate, sondern auch online-Verbindungen zu Simulationen und Messungen. Für die Visualisierung stehen diverse Instrumente zur Verfügung, die Sie frei anordnen und konfigurieren können.

 

Im aktuellen Release von DaVE sind u.a. die folgenden Funktionalitäten hinzugekommen: 

 

  • Import von TIL Grafiken

Diese neue Funktion ermöglicht Ihnen, Ihre mit der TIL-Bibliothek erstellten Modelica-Simulationsgrafiken direkt in DaVE zu importieren. Auf diese Weise muss Ihr System in DaVE nicht noch einmal neu aufgebaut werden. 

 

  • Export von Präsentationen

DaVE kann umfangreiche Berichte sowie elegante Präsentationen erstellen und exportieren. Zusätzlich zur bereits in Version 2023.2 vorhandenen Möglichkeit, den Inhalt und ein Zieldateiformat beim Export zu bestimmen, sind im aktuellen Update die Wahl der Größe und des Layouts des Arbeitsbereichs hinzugekommen. Zu jedem Time Mark können beispielsweise jeweils drei Pages entweder als mehrseitiges PDF im DIN A4-Format oder als PowerPoint-Präsentation in 16:9 ausgegeben werden.

Abbildung 1: Das neue Layout der Symbolleiste mit einer horizontalen Aktionssymbolleiste und einer vertikalen Instrumentensymbolleiste

  • Steuerelemente in der Werkzeugleiste 

Neu hinzugekommen sind Steuerelemente, mit denen Sie Position, Breite und Höhe Ihrer Instrumente einstellen können. Um trotzdem die Darstellung auf kleineren Bildschirmen zu gewährleisten, bieten wir eine vertikale Symbolleiste für die Instrumente sowie eine (bereits bekannte) horizontale Symbolleiste, auf der alle Steuerungsmöglichkeiten des Instrumentenlayouts zu finden sind.

 

Ansprechpartner:

 

 

Simulator Suite 2024.2

Die Simulator Suite ermöglicht Ihnen eine effiziente Auswertung von Modellen, die auf dem Functional Mock-up Interface-Standard (FMI 1.0, FMI 2.0, FMI 3.0) oder kompiliertem Dymola-Code basieren. Mit unserem Softwarepaket können Modelle sowohl in bekannten Anwendungen wie Excel oder LabVIEW simuliert als auch über SDKs in C/C++ und Python genutzt werden. Weitreichende Konfigurationsmöglichkeiten sowie spezialisierte Lösertechnik erlauben die performante Auswertung komplexer thermodynamischer Systeme. Mit der Unterstützung dedizierter System Structure and Parameterization (SSP) Features ermöglicht die Simulator Suite auch die Berechnung von verschalteten Systemen.

Im aktuellen Release der Simulator Suite sind u.a. die folgenden Funktionalitäten hinzugekommen:

 

  • Setzen des FMU-Zustands 

Neu ist die Implementierung des vollständigen Abrufens, Serialisierens und Setzens des FMU-Zustands. Dadurch können beispielsweise Iterationen von Optimierungsrechnungen immer ausgehend von einem stationären Zustand erfolgen.

 

  • Steuerung mittels VBA

Durch die Integration von Visual Basic for Applications (VBA) für die Steuerung des TLK Simulators for Excel kann nun eine vollständige Kontrolle der Simulationen mittels VBA erfolgen. Dies ermöglicht wiederum die Erstellung von noch individuelleren automatisierten Auswerteroutinen.

 

  • Simulationskern

Das aktuelle Release beinhaltet einen umfassend überarbeiteten Simulationskern mit einer noch effizienteren Speichernutzung. Dadurch werden wir den steigenden Anforderungen an die Skalierbarkeit für die Durchführung umfangreicher Simulationsstudien und Optimierungsrechnungen gerecht.

 

An dieser Stelle möchten wir auch auf den TLK Simulator for Python hinweisen, der sich ideal für das automatisierte Testen und Validieren Ihrer individuellen Modelle und Systeme eignet. Der Simulator unterstützt nebenläufige Simulationen sowohl in mehreren Threads als auch in getrennten Prozessen. Er eignet sich für die Python-Versionen 3.7, 3.8, 3.9, 3.10 und 3.11 – dies sowohl für Windows- als auch Linux-Betriebssysteme.

 

Da die Simulator Suite auch über unsere Software MoBA Automation in unterschiedliche Arbeitsabläufe integriert werden kann, bieten wir Ihnen in dieser Kombination ein Werkzeug, das sich an Ihre individuellen Bedürfnisse anpasst. So ermöglicht es die Definition von vollständigen Optimierungs- und Validierungs-Workflows inklusive erweiterter GUI-geführter Interaktionen. 

 

Ansprechpartner:

Call for Papers – Users’ Meeting ThermoSim 2024

Simulation thermischer Systeme mit Modelica und FMI

Unser Partnerunternehmen LTX Simulation GmbH lädt Sie herzlich zum dritten Modelica und FMI Users’ Meeting „ThermoSim 2024 – Simulation thermischer Systeme mit Modelica und FMI“ am 9. und 10. September 2024 nach München ein. Wir freuen uns über die Einsendung von Abstracts für einen Vortrag oder ein Poster. Einsendeschluss ist der 15. Juni 2024.

TLK-Thermo, XRG Simulation und LTX Simulation veranstalten gemeinsam das Anwendertreffen „ThermoSim 2024 – Simulation thermischer Systeme mit Modelica und FMI“.

 

Termin: 9. und 10. September 2024

Ort: München

Einsendeschluss Abstracts: 15. Juni 2024

 

Im Fokus des Meetings stehen gleichungsbasierte Modellierungen und Simulationen thermischer Systeme, insbesondere in Verbindung mit der Programmiersprache Modelica, sowie FMI-basierte Methoden. 

 

Weitere Informationen finden Sie hier.