TIL Suite
Kurzfassung
Modellierung und Simulation thermischer Systeme
Die TIL Suite besteht aus der Modellbibliothek TIL und der Stoffdatenbibliothek TILMedia. Mit diesem Softwarepaket ermöglichen wir unseren Kunden die stationäre und transiente Simulation von thermodynamischen Komponenten und Systemen. Darüber hinaus bieten wir viele fachspezifische Komponenten und Systeme in weiteren Add-On Bibliotheken an. Die TIL Modelle können entweder in Modelica-Simulatoren eingesetzt oder für andere Simulatoren mittels Code-Export bzw. Modell-Exchange exportiert werden.
Das Softwarepaket
Aufbau, Inhalt und Vorteile
Die TIL Suite stellt vielfältig einsetzbare Komponenten- und Systemmodelle zur Verfügung. Bestandteile dieses Softwarepakets sind die Basisbibliothek TIL, die Stoffdatenbibliothek TILMedia und verschiedene Add-On Bibliotheken. Die TIL Suite wird auch in der schnell und robust rechnenden HD-Variante (Hoch Dynamisch) angeboten. In die TIL Suite sind unsere langjährigen Erfahrungen aus diversen Dienstleistungs- und Forschungsprojekten zu Simulation, Versuch und Softwareentwicklung eingeflossen.
Einerseits können mit TIL einzelne Komponenten detailliert abgebildet und berechnet werden. Andererseits eignen sich die enthaltenen Modelle hervorragend für die Auslegung und Optimierung von großen und vielschichtigen Systemen. Neben der hohen Genauigkeit und Geschwindigkeit bei der Simulation zeichnet sich die TIL Suite vor allem durch große Flexibilität und Anpassbarkeit aus. Komponentenmodelle können über die grafische Benutzeroberfläche problemlos ausgetauscht, zu Testern oder ganzen Systemen verschaltet und bis ins Detail konfiguriert werden. Der Code der Modellbibliotheken (der TIL Suite) ist weitestgehend einsehbar und auf einer objektorientierten Struktur aufgebaut. Modelldetails und Komponenten können eingesehen, kopiert, angepasst und erweitert werden.
Die TIL Suite kann u.a. zur Modellierung folgender Systeme eingesetzt werden:
- Kältekreisläufe inkl. Kältemittelgemische
- Wärmepumpensysteme
- Systeme mit Ejektoren, inneren Wärmeübertragern, Kaskaden
- Hydraulische Netzwerke
- Clausius-Rankine-Kreisprozesse
- Heiz- und Klimatisierungssysteme
- Wasserstoffsysteme, z.B. H2-Tankstellen (teils Add-On)
- Brennstoffzellensysteme (Add-On)
- Ab- und Adsorptionssysteme (Add-On)
Abbildung 1: Beispiele von Systemmodellen aus der TIL Suite
TIL HD
Robuste und schnelle Berechnung hochdynamischer Systeme
TIL HD ist eine Variante der TIL Suite, die speziell für hochdynamische Simulationen unter transienten Randbedingungen entwickelt wurde. Dazu gehören beispielsweise Systeme, in denen Umschaltvorgänge mit Strömungsumkehr stattfinden oder sogar ganze Stränge abgeschaltet werden. Mit TIL HD können solche komplexen Simulationen meist schneller und robuster erfolgen. Dabei kann sehr einfach und jederzeit zwischen TIL und TIL HD gewechselt werden, ohne bestehende Systemmodelle modifizieren zu müssen. TIL HD unterscheidet sich von TIL durch die speziell angepassten Energie- und Massenbilanzen von Komponenten mit Volumen bzw. mit differentiellem Zustand.
Add-On Pakete
Ergänzende Modellbibliotheken
Neben den bereits in TIL enthaltenen Komponenten und Beispielsystemen sind zahlreiche weitere Add-On Bibliotheken verfügbar. Sie enthalten Modelle, die an das jeweilige Themengebiet angepasst sind, so dass sie hierfür umfangreichere oder detailliertere Simulationen ermöglichen. Für die Verwendung von Add-Ons ist die TIL Basisbibliothek oder TIL HD erforderlich.
Für folgende Bereiche stehen auf Anfrage lizensierbare TIL Add-Ons zur Verfügung:
- Add-On HydrogenEnergySystems:
Brennstoffzellen, PEM, SOFC, Elektrolyseure, H2-Tankstellen, H2-Verflüssigung - Add-On Automotive:
Systeme zur Fahrgastraumkonditionierung, Heizklimageräte, Fahrzyklen - Add-On Cabin:
Fahrzeugkabinen (PKW, Bus, Bahn, LKW) - Add-On PolynomialCompressors:
Verdichter nach EN 12900 bzw. AHRI 540 (10 Koeffizienten Polynom Kompressor)
- Add-On 2DHX:
2D Lamellen-Rohrbündel-Wärmeübertrager - Add-On HeatStorages:
Warmwasserspeicher (Haushalts-/Gebäude-Wärmeschichtenspeicher) - Add-On PCMStorages:
PCM-Speicher (Phase-Change Material, Kälte-/Eis-Speicher) - Add-On HeatPumpDryer:
Wäschetrockner
Die Add-Ons HydrogenEnergySystems und Automotive werden aufgrund ihres großen Umfangs im Folgenden noch einmal ausführlich vorgestellt.
Abbildung 2: Detaillierte Geometrieinformationen verschiedener Wärmeübertrager-Modelle der TIL Suite
Add-On Wasserstoff
Modellbibliothek für H2-Energiesysteme
Mit dem TIL Add-On HydrogenEnergySystems lassen sich Systeme entlang der gesamten Wasserstoff-Wertschöpfungskette (Produktion – Speicherung und Verteilung – Anwendung) modellieren und simulieren.
H2-Produktion:
- Modelle zur Analyse von Elektrolyse-Verfahren
- Chemische Idealreaktoren, z.B. zur Methanisierung
- Weitere Power-to-X-Verfahren
H2-Speicherung und Verteilung:
- Wasserstoffspeicherverfahren, z.B. Druckgasspeicherung
- Verflüssigung nach dem Linde-Verfahren
- Wasserstoff-Tankstellen und Fahrzeugspeichersysteme zur Simulation von H2-Betankungsprozessen (Komponenten und Beispielsysteme)
H2-Anwendung:
- Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle
- Fest-Oxid-Brennstoffzelle
- Gesamte Brennstoffzellensysteme inklusive Peripheriekomponenten der Versorgungspfade, z.B. Befeuchter und Strömungsmaschinen, sowie Kühlung
Abbildung 3: Fließbild eines typischen mobilen BZ-Systems, erstellt mit Komponenten des TIL Add-On für H2-Energiesysteme
Add-On Automotive
Modellbibliothek für die mobile Klimatisierung und Thermomanagement
Das Add-On Automotive wird zusammen mit dem Add-On Cabin ausgeliefert. Dieses Erweiterungspaket wird im Kontext mobiler HVAC (Heating Ventilation & Air Conditioning) über Jahre erfolgreich eingesetzt, stetig weiterentwickelt und verbessert.
Es stehen insbesondere folgende Modelle für die thermische Simulation zur Verfügung:
Detaillierter MPET Wärmeübertrager (Multi Port Extruded Tubes & louverd fins, luftseitig) verwendbar als/mit:
- Mehrlagiger Verdampfer
- Verflüssiger optional mit integriertem Sammler
- Volumen der Header/Umlenkkästen
- 2D Diskretisierung (optional)
- Inhomogene Luftanströmung (optional)
Kabinenmodelle:
- PkW
- Bus
- Zugwagen
- (LkW-Transportbox in Entwicklung)
Beispiel-Systeme mit:
- R744-Kältekreisläufe
- R1234yf-Kältekreisläufe
- TXV (Thermisches Expanions-Ventil)
- IWT (Interner Wärmeübertrager, Rohr-In-Rohr)
- Kabinenklimatisierung
- 2 parallelen Verdampfern (Innenraum + Chiller)
- Umschaltung zwischen AC & HP (Air Conditioning & Heat Pump)
Die Modelle und Systeme werden erfolgreich insbesondere für folgende Zwecke eingesetzt:
- Validierungen mit Messdaten
- Parameterstudien mit variierenden Randbedingungen
- Einbindung in Gesamtfahrzeugmodelle/-systeme
- Füllmengensimulation
Abbildung 4: Das TIL Add-On Cabin stellt bspw. Modelle für Fahrzeuginnenräume bereit
Individuelle Erweiterungen
Kundenspezifische Modelle
Wir entwickeln für unsere Kunden individuelle fachspezifische Komponenten- und System-Modelle, in denen wir unsere bereits vorhandenen Prototypen und Modellaktivitäten an die jeweiligen Erfordernisse anpassen.
Dies gilt insbesondere für folgende Bereiche:
- Einfache Gebäude (Büro, Supermarkt)
- Batterie (Zellen, Module, Systeme)
- Thermoelektrik
- Verdichter (z.B. Turbo)
- Elektromotor, Leistungselektronik
- Fahrdynamik, elektrifizierte Fahrzeuge
- 3D diskretisierte Wärmeübertrager
- Druckverlust- & Wärmeübergangsbeziehungen
Sprechen Sie uns gerne an oder schreiben Sie uns eine E-Mail. Teilen Sie uns Ihre Vorstellungen und Erwartungen bezüglich der benötigten Modelle und Simulationen von thermischen, hydraulischen o.ä. Komponenten und Systemen mit.
Verbindung mit TLK-Produkten
Stoffdaten, Visualisierung, Export und Automatisierung
Stoffdaten - TILMedia Suite
Für die effiziente Berechnung der thermophysikalischen Eigenschaften von Flüssigkeiten, Gasen, realen Stoffen mit Nassdampfgebiet sowie Gemischen nutzen TIL-Modelle die TILMedia Suite. In TILMedia werden Stoffdaten wahlweise auf drei verschiedenen Wegen berechnet: über eigene, hocheffiziente und genaue Echtzeit-Stoffdaten-Implementierungen, über in der Literatur beschriebene Standard-Stoffdaten-Implementierungen oder über den Zugriff auf externe Datenbanken, wie z.B. REFPROP. In TILMedia können benutzerdefinierte Mediengemische erstellt werden und Simulationen mit dynamisch variierenden Massenanteilen erfolgen. Zusätzlich stehen für viele Kältemittel (z.B. R134a, R1234yf, R410a und Propan) Spline-Stoffdaten zur Verfügung, die je nach System für eine höhere Simulationsgeschwindigkeit sorgen können. Viele weitere Spline-Stoffdaten sind auf Anfrage verfügbar.
Eine Übersicht der Stoffdatenimplementierungen (eigene Implementierungen, REFPROP, Coolprop, NASA, VDI) finden Sie in der TILMedia Dokumentation.
Abbildung 5: Wärmepumpenkreislauf im ph-Diagramm mit TILMedia-CO2 (R-744) – Dargestellt in DaVE
Visualisierung - DaVE
Simulationsergebnisse der TIL Suite können sehr einfach mit der Visualisierungsumgebung DaVE dargestellt werden. Dies gilt insbesondere für thermodynamische Zustandsdiagramme wie z.B. Druck-Enthalpie- oder Temperatur-Enthalpie-Diagramme. Die thermodynamischen Stoffdaten werden hierbei von der oben erwähnten TILMedia Suite bereitgestellt. Da DaVE Ergebnisdateien wie *.mat und *.csv unterstützt, können mittels dieser Software auch Gegenüberstellungen und Validierungen von Mess- und Simulationsdaten erfolgen. Darüber hinaus stehen zahlreiche gängige Anzeige- und Diagrammtypen wie 2D und Vektor-Plots zur Verfügung. Weiterhin ermöglicht DaVE auch das Laden und Ausführen von TIL-Modellen, die als FMU exportiert wurden.
Export - ModelFitter, Optimization Suite, TISC Suite
Die mit der TIL Suite erstellten Modelle und Systeme können über den FMI-Standard als FMU (Funktional Mockup Unit) exportiert werden. FMUs wiederum können in andere Software-Programme importiert werden, die den FMI-Standard unterstützen. Somit können in anderen Simulationsumgebungen auch Parameter verändert, Modell-Eingänge und -Ausgänge verschaltet und beliebige Simulationen ausgeführt werden.
Mit der TIL Suite erstellte und exportierte Modelle können z.B. in folgenden Softwareprodukten verwendet werden:
Mit der Simulator Suite können die exportierten Modelle sowohl in bekannten Anwendungen wie Excel oder LabVIEW simuliert als auch über SDKs in C/C++ und Python genutzt werden. Die Modelle können beliebig oft und mit variierten Parametern berechnet und somit unter anderem auch für größere Parameter-Studien verwendet werden.
Mit dem ModelFitter können modellierte Systeme oder Komponenten an Messdaten gefittet werden. Ein als FMU exportiertes Modell kann im ModelFitter geladen werden. Über eine Bedienoberfläche in einer Exceltabelle kann das Parameter-Fitting konfiguriert und auf Knopfdruck durchgeführt werden. Durch die Aufbereitung und grafische Darstellung der Ergebnisse des Fittings unterstützt der ModelFitter bei der Analyse und Auswertung.
Mit der Optimization Suite können mit den exportierten Modellen stationäre und dynamische Optimierungen durchgeführt werden. Beispielsweise können Parameter bei der Auslegung von thermischen Energiesystemen optimiert werden. Auch zur Regelungsoptimierung oder Berechnung einer optimalen Steuerungstrajektorie kann die Optimization Suite eingesetzt werden.
Die TISC Suite ist eine Co-Simulationsumgebung, mit deren Hilfe Berechnungsmodelle softwareübergreifend zu einem Gesamtsystem verbunden und simuliert werden können. Beispielsweise kann diverse Software auch über eine Netzwerkverbindung mit dem TISC Server verbunden werden. Das Gesamtsystem aus verschiedenen Subsystemen und Modellen kann parallel und synchronisiert auf verschiedenen Rechnern berechnet werden. Auch eine Anbindung von Hardware (z.B. HIL Systeme wie dSpace), Steuerungssystemen (SPS) und Messsoftware (z.B. CANape, LabView) ist möglich.
Automatisierung - MoBA
Sämtliche Arbeitsabläufe, die mit der TIL Suite in Verbindung stehen, können mit mithilfe der MoBA Automation von Anfang bis Ende strukturiert und automatisiert werden. Beispielsweise können Simulationen parallelisiert ablaufen und anschließend analysiert und visualisiert werden. Simulationsstudien oder Modellreduktionen können durchgeführt, Modellparameter gefittet und Optimierungen von Topologien oder Betriebsstrategien umgesetzt werden. Die MoBA Automation bietet, ähnlich wie die TIL Suite, sowohl einsteigerfreundliche vorgefertigte Beispiele als auch die Möglichkeit für fortgeschrittene Nutzer, Arbeitsabläufe bis ins Detail selbst zu konfigurieren.
