Simulation hydraulischer Netze mit elektrischen
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22 A N L AG E N H Y D R A U L I K Simulation hydraulischer Netze mit elektrischen Schaltungssimulatoren Zur Gewährleistung eines optimierten Betriebes und einer hohen Effizienz in einer heizungs- oder raumlufttechnischen Anlage ist eine hydraulische Einregulierung, das heißt das Sicherstellen richtiger Mengen an Heiz- oder Kühlwasser zur richtigen Zeit am richtigen Ort, unumgänglich. Zusätzlich ist bei einer einregulierten Anlage eine Energieersparnis und somit eine Kostenreduktion zu erwarten. I n diesem Bereich kommt es vermehrt zum Einsatz von Simulationsprogrammen, die sich nicht zuletzt bezüglich Funktionsumfang und Benutzerfreundlichkeit voneinander unterscheiden. Interessant ist es in diesem Zusammenhang, dass zwischen Elektrotechnik und Hydraulik Analogien bestehen. Diese Analogien legen den Versuch nahe, elektrische Schaltungssimulatoren, die sehr ausgereift und leistungsfähig zur Verfügung stehen, zur Simulation hydraulischer Netze zu verwenden. In diesem Beitrag werden Erfahrungen beziehungsweise Ergebnisse einer diesbezüglichen Arbeit vorgestellt. Im Bereich der Elektrotechnik/Elektronik hat der enorm leistungsfähige Schaltungssimulator PSpice weite Verbreitung gefunden. PSpice wurde Anfang der 70er Jahre von der University of California Berkeley entwickelt, zu diesem Zeitpunkt noch unter der Bezeichnung Spice. Im Laufe der Jahre wurde der Schaltungssimulator stetig wie z. B. um eine graphische Auswertung der Rechenergebnisse oder um eine graphische Eingabemöglichkeit erweitert. Bild 1: Hydraulische Komponenten. Bild 2: Elektrische Komponenten. Elektrisch-hydraulisches Analogon Zur Bestimmung der Zusammenhänge wird ein hydraulischer Kreis einem elektrischen Stromkreis gegenübergestellt. Wie aus Bild 1 ersichtlich, besteht ein einfacher hydraulischer Kreis aus einer Pumpe, einem Stellventil und einem Verbraucher. Der elektrische Stromkreis, wie aus Bild 2 zu ersehen, besteht aus einer Spannungsquelle und aus zwei Widerständen. Die Pumpe im hydraulischen Kreis, welche eine Druckdifferenz erzeugt, entspricht der Spannungsquelle im elektrischen Kreis, welche eine Potentialdifferenz erzeugt. Mit Hilfe des Pumpendifferenzdrucks bewegt sich ein Fluidstrom durch die hydraulischen Widerstände, während sich aufgrund der Spannung ein Stromfluss durch die elektrischen Widerstände ergibt. Das Stellventil und der Verbraucher sind Strömungswiderstände und somit vergleichbar mit den elektrischen Widerständen. Somit sind die Analogien, wie in Tabelle 1 ersichtlich, festgelegt. Dafür wird festgelegt, dass eine Spannung von 1 V einer Druckdifferenz von 1 bar und ein Strom von 1 A einem Volumenstrom von 1 m3/h entsprechen. Davon ausgehend ist es möglich, jene Leitungskomponenten, welche einen Einfluss auf die hydraulische Auslegung haben, wie der Verbraucher, das Strangregulierventil und das Regelventil mit elektrischen Widerständen zu modellieren. Zur benutzerfreundlichen Eingabe sowie zur Ergebnisdarstellung müssen noch Vereinbarungen bezüglich der Einheiten, wie in Tabelle 2 und Tabelle 3 ersichtlich, getroffen werden. Modellierung hydraulischer Schaltungen Im Rahmen dieser Arbeit wurden alle maßgeblichen Schaltungen der Hydraulik in PSpice modelliert. Bild 3 zeigt als Beispiel das Modell einer Drosselschaltung. Wie in dieser Abbildung ersichtlich, ist die Modellierung einer hydraulischen Schaltung in PSpice vergleichsweise komplex und erfordert Kenntnisse in Elektrotechnik und in der Programmbedienung. Um eine einfache Bedienbarkeit zu gewährleisten, wurden für die einzelnen modellierten Schaltungen Symbole mit schematischer Schaltungsdarstellung und Eingabemöglichkeit der erforderlichen Parameter erstellt. Bild 4 zeigt das Eingabefenster einer Drosselschaltung. Bei der Eingabe sind die Leistungen in kW, die Drücke in kPa und die Temperaturen in °C einzusetzen. Zur Anzeige der Ergebnisse steht ein zusätzliches Anzeigefenster zur Verfügung. Die einzelnen Schaltungen lassen sich in einfacher Weise kombinieren (Bild 5). Damit ist es möglich, sämtliche Daten, die bei der Auslegung von hydraulischen Subsystemen von Interesse sind, wie die Ventilautoritäten, die Massenströme, die Pumpendrücke sowie die unterschiedlichen kv-Werte der Regel- und Strangregulierventile, nach Eingabe der bekannten Daten auf einen Schritt und innerhalb kürzester Zeit als Ergebnisse auszugeben. Selbst bei der Auslegung von sehr vielen unterschiedlichen Schaltungen ist nur ein minimaler be- Österreichs einzige spezialisierte Fachzeitschrift für die Bereiche Heizung, Lüftung, Klima- und Kältetechnik Heizung Lüftung Klimatechnik – 12/2005 Heizung Lüftung Klimatechnik A N L AG E N H Y D R A U L I K 23 Tabelle 2: Gegenüberstellung der Einheiten von Strom und Volumenstrom. Tabelle 1: Festgelegte Analogien. Bild 4: Eingabefenster der Drosselschaltung. ziehungsweise vernachlässigbarer Zeitaufwand für die Berechnung notwendig. Da nur die Oberflächen der Ein- und Ausgabefenster zu sehen sind, sind keine Kenntnisse in Bezug auf die Elektrotechnik erforderlich. Bei den Eingabefenstern ist aufgrund einer schematischen Darstellung der betreffenden Schaltungen eine Abgrenzung zu den unterschiedlichen Schaltungen gegeben. Die Einheiten der einzugebenden Werte sind jeweils rechts davon ersichtlich. Dadurch wurde eine höhere Benutzerfreundlichkeit erreicht. Ergebnis Als Ergebnis ist festzuhalten, dass es möglich ist mit Hilfe der modellierten Schaltungen eine beliebige Anzahl von hydraulischen Systemen zu kop- peln und die charakteristischen Werte der Schaltung, wie die kv-Werte, die Ventilautoritäten, den Differenzdruck, den von der Pumpe aufzubringenden Druck sowie sämtliche Massenströme, als Ergebnisse darstellen zu lassen. Der Zeitaufwand dafür besteht aus der Auswahl der hydraulischen Schaltungen und Eingabe der für die Dimensionierung notwendigen Werte. Die Zeit für die Berechnung ist aufgrund der vom Programm verwendeten Rechenalgorithmen minimal. Nach kurzer Einarbeitungszeit mit Hilfe einer Beschreibung für den Benutzer ist es möglich, unterschiedliche Aufgabenstellungen bei der hydraulischen Auslegung zu lösen. Da für den Benutzer nur die Masken der Einund Ausgabefenster ersichtlich sind, sind keine elektrotechnischen Grundkenntnisse erforderlich. Die Benutzerfreundlichkeit, welche durch eine Programmierung eines fachspezifischen Berechnungsprogramms zu erreichen wäre, ist allerdings nicht er- Bild 3: Abstrakte Modellierung einer Drosselschaltung. Österreichs einzige spezialisierte Fachzeitschrift für die Bereiche Heizung, Lüftung, Klima- und Kältetechnik Heizung Lüftung Klimatechnik 12/2005 – Heizung Lüftung Klimatechnik Tabelle 3: Gegenüberstellung der Einheiten von Spannung und Druckdifferenz. zielbar. Nicht zu vernachlässigen sind auch die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten für die Software, da diese weit aus mehr Funktionalitäten bietet als für diesen Fall notwendig ist. Bild 5: Kombination mehrerer Schaltungen.
