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antriebstechnik 9/2019

antriebstechnik 9/2019

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG PEER REVIEWED 04 Strukturelle Darstellung der Kühlsystemvarianten am Versuchsstand 05 Aufbau des Kühlsystemversuchsstands im Versuchsfeld 06 Darstellung eines geschlossenen Regelkreises für BS1 07 Darstellung der Vorsteuerung für die BS2 Anforderungsliste für den zu entwickelnden Kühlsystemversuchsstand erstellt. Anschließend wird auf den hydraulischen und thermischen Aufbau sowie die elektronische Steuerungs- und Regelungstechnik der Kühlbetriebsstrategien eingegangen. Abschließend wird das Potenzial in Bezug auf das thermische Verhalten und den Energieverbrauch der neu entwickelten Kühlsystemstrukturen anhand der durchgeführten Messungen am Kühlsystemversuchsstand dargestellt. ANFORDERUNG AN DEN KÜHLSYSTEM­ VERSUCHSSTAND Um die geeigneten und passenden Komponenten für den Kühlsystemversuchsstand auszuwählen, sind zuerst wichtige und grundlegende Bedingungen für den Aufbau festzulegen. Eine der wesentlichen Anforderungen an den Kühlsystemversuchsstand ist die Umsetzung aller entwickelten Kühlsystemstrukturen aus Bild 02. Die dort dargestellten Strukturen unterscheiden sich in ihrem Grad der Dezentralisierung. So arbeitet die aktuelle Kühlstruktur in einem durch die Konstantpumpe und fest eingestellten Stromventilen festgelegten Arbeitspunkt. Kühlstruktur 1 dagegen besitzt eine drehzahlvariable Pumpe und Regelventile, so kann die Kühlstruktur auf unterschiedliche Arbeitspunkte angepasst werden. In der Kühlstruktur 2 wird auf Regelventile verzichtet und stattdessen jeder Kühlkreislauf mit einer drehzahlvariablen Pumpe ausgestattet, die alle auf denselben Tank zugreifen. Die Kühlstruktur 3 weist neben den drehzahlvariablen Pumpen in jedem Kühlkreislauf auch separate Tanks auf. So kann die Vorlauftemperatur in jedem Tank unabhängig von den anderen Tanktemperaturen eingestellt werden. Die Anordnung der einzelnen Komponenten auf dem Versuchsstand kann erst nach der Auswahl der Komponenten festgelegt werden. Es gibt jedoch eine Beschränkung bzgl. der Positionierung der Versorgungseinheit. Damit die Kreiselpumpen in keinem Fall trocken laufen, ist es wichtig, den Tank höher als die Pumpen zu positionieren. Dadurch ist gewährleistet, dass immer ausreichend Flüssigkeit in den Pumpen vorhanden ist. Weiterhin sollte der Versuchsstand mobil und leicht transportierbar sein, um eine spätere Ankopplung an den realen Maschinenbetrieb zur Untersuchung der Kühlstrukturen zu ermöglichen. Die physikalische Dimensionierung der Versuchsstandkomponenten, bspw. Pumpen, Regelventile etc., orientiert sich an den vorab untersuchten Demonstratormaschinen. Der maximal geförderte Volumenstrom durch die Versorgungseinheiten wird auf 40 – 45 l/min festgelegt. Ähnlich zu den untersuchten Demonstratormaschinen wird ein Systemdruck von 3,5 – 4,5 bar am Versuchsstand gefordert. Aus den experimentellen Untersuchungen der Demonstratormaschinen und angenommenen Randbedingungen in der Simulationsstudie ergibt sich eine Anforderungsliste in Tabelle 01, die der Kühlsystemversuchsstand erfüllen soll. Bild 03 stellt das Gesamtkonzept des Kühlsystemversuchsstands am Beispiel einer zu kühlenden Maschinenkomponente (Verbraucher) dar. Der drehzahlvariable Antrieb saugt das Kühlmedium aus dem Tank und versorgt den Verbraucher über ein Regelventil. Am Versuchsstand dient der Durchlauferhitzer als Verbraucher, um einen Wärmestrom dem System aufzuprägen. Das Kühlmedium wird mithilfe eines Kühlaggregates bzw. Plattenwärmetauschers auf eine vordefinierte Vorlauftemperatur gekühlt. Zahlreiche Sensoren, die zwischen den Komponenten verteilt sind, werden zur Messung von Druck, Temperatur und Volumenstrom eingesetzt. Ihre Signale werden über eine Steuereinheit (Desktop PC mit LabView) erfasst. Ebenso steuert diese 100 antriebstechnik 2019/09 www.antriebstechnik.de

PEER REVIEWED FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG die Aktoren wie z. B. die Pumpenantriebe, die Regelventile und die Durchlauferhitzer. UMSETZUNG DER KÜHLSTRUKTURVARIANTE Bild 04 stellt den schematischen Aufbau der Kühlsystemstrukturen am Versuchsstand dar. Die Umsetzung aller drei Kühlstrukturvarianten aus Bild 02 erfolgt im Versuchsstand durch Öffnen bzw. Schließen der Absperrventile (4). Je nach Kühlstrukturauswahl wird das Fluid anders geführt. Die Einhaltung der geforderten Vorlauftemperatur für das Kühlsystem wird durch einen Plattenwärmetauscher (11), ein Regelventil (5) und einer extern zur Verfügung gestellten Kühlleistung mittels eines zentralen Kühlaggregats erzielt. Da eine Verschmutzung des Kühlsystemkreislaufs und des externen Kühlwasserkreislaufs (z. B. durch Schmutzpartikel) nicht ausgeschlossen werden kann, befinden sich Schmutzfänger (10) an den entsprechenden Stellen. Zusätzlich ist im gemeinsamen Rücklauf ein Drucksensor (2) vorhanden, über den der Druckabfall vom Plattenwärmetauscher bis zum Tank (12) gemessen werden kann. Für die Wärmeeinbringung in den Kühlsystemversuchsstand werden drei marktübliche Durchlauferhitzer (8) verwendet. Diese können z. B. Motorspindel (MS), Linearführung (LF) und Gestell (GS) abbilden. Für die Motorspindel beträgt der maximale Wärmeeintrag 1 500 W, für die Linearführung 1 000 W und das Gestell , 600 W. Für eine vollständige Messung sind weitere Temperatur- (6), Druck- (2) und Volumenstromsensoren (7) an den entsprechenden Stellen integriert. Über die verstellbaren Drosseln (9) können die Systemdruckverluste der bisher untersuchten Kühlsysteme in den Demonstratormaschinen am Versuchsstand abgebildet werden. Die Volumenstromversorgung erfolgt mithilfe der drehzahlvariablen Pumpenantriebe (1) der Firma Grundfos /Gru18/. Die Mindestdrehzahl des Pumpenantriebes n Pu,min im Stand-by beträgt ca. 395 U/min. Bei einem Mindestdruck p Pu,min von ca. 0,3 bar ergibt sich ein Mindestvolumenstrom von ca. 2,2 l/min. Bild 05 zeigt den Kühlsystemversuchsstand im Versuchsfeld der Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik der TU Dresden. Für die Kühlstruktur 1 ist ein minimaler Öffnungswinkel der Regelventile und ein Pumpenoffset erforderlich. Diese Bedingungen ergeben sich aus der Anordnung der Temperatursensoren im Versuchsstand. Die Sensoren sind nicht direkt an den Durchlauferhitzern angeordnet, sondern werden im Rücklauf installiert. Der Grund dafür ist die zukünftige Anbindung des Kühlsystemversuchsstands an reale WZM zur Untersuchung der Kühlsystemstrukturen im praxis­ Komponente Anforderung Bemerkung Grundplatte/Tisch Maße Europalette, einfacher Transport Tabelle 01: Anforderungsliste für den Kühlsystemversuchsstand 2 – 3 Etagen Tank ca. 30 l z. B. Kunststoffbox Betriebsmedium Versorgungseinheit (FU, E-Motor, Pumpe) Angenommene Vorlauftemperatur Wasser-Glykol (80...60 % – 20...40 %) 0,1 – 25 l/min, ...4,5 bar, drehzahlvariabel 2/2 Regelventil ∼ ∆p bei vollgeöffnetem Ventil Simulierte Maschinenkomponente Kühlaggregat oder Plattenwärme tauscher Mischmenge aus den jetzigen Untersuchungen Schnittstelle zur Steuerung 0 – 10 V 20 – 35 °C Einsatz von 3-Wege-Ventil / Wärmetauscher Drei Verbraucher Heizleistung 0,5 – 1,5 kW Kühlleistung bis ca. 3,5 kW Schnittstelle zur Steuerung 0 – 10 V Steuersignal 0 – 10 V, fahren von Lastprofile Platzsparend, steuerbar Drosselventile ∆p = 0,5 – 4,5 bar Drucksimulation von Maschinenkomponenten Absperrventile Drucksensoren Temperatur sensoren Volumenstrom sensoren Verbindungsschläuche Bei Aktivierung fließt kein Volumen strom von P ↔ A Bis 10 bar, Genauig keit ± 0,1 bar Pt100 Klasse AA ± (0,15 + 0,0017) · ϑ Bis 25 l/min Genauigkeit ± 0,1 l/min Druckfest bis 16 bar Umschalten zw. den Kühlstrukturen 0 – 10 V Ausgangssignal 0 – 10 V Ausgangssignal 0 – 10 V Ausgangssignal Steuerung Messkarten Ausgerüstet mit AI, AO, DIO 1 K 24 l/min 16 l/min 9,6 l/min 2 K 12 l/min 8 l/min 4,8 l/min 3 K 8 l/min 5,3 l/min 3,2 l/min 4 K 6 l/min 4 l/min 2,4 l/min 5 K 4,8 l/min 3,2 l/min 1,9 l/min Tabelle 02: Volumenstrom Gesamtkühlsystem je Verbraucher bei gegebener Verlustleistung und geforderter Temperaturdifferenz ∆T Verbraucher Voraussetzung Regler Reglerparameter kritische Verstärkung und Periodendauer bekannt P K R = 0,5 · K krit ; PI PID K R = 0,45 · K krit ; T I = 0,85 · T krit K R = 0,6 · K krit ; T I = 0,5 · T krit ; T D = 0,12 · T krit Tabelle 03: Reglereinstellungen nach Ziegler und Nichols /Lun14/ www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2019/09 101