A Contribution to Numerically Efficient Modelling of Thermodynamic Systems

Schulze, Christian Wilhelm

In dieser Arbeit werden zwei Aspekte der numerisch effizienten Modellierung untersucht: die Berechnung von thermophysikalischen Stoffeigenschaften und die Modellierung von Strömungskanälen sowie Wärmeübertragern. Vier Interpolationsalgorithmen für die Bereitstellung von hoch genauen thermophysikalischen Stoffeigenschaften von Reinstoffen und pseudo pure fluids werden diskutiert, implementiert und verglichen in Hinblick auf: Berechnungsgeschwindigkeit, thermodynamische Konsistenz, Datenbedarf und Einfluss auf den DAE-Lösungsprozess eines Modells. Ein neuer, allgemeiner, absolut zuverlässiger, flexibler, und schneller Ansatz zur Beschreibung des Zweiphasengebiets eines binären Gemisches auf Basis von Spline-Interpolation wird vorgestellt, der die Daten von empirischen multiparameter Fundamentalgleichungen wiedergeben kann. Ein vereinfachter Finite Volumen Ansatz wird vorgestellt, der die numerisch effiziente Simulation von Strömungskanälen und Wärmeübertragern ermöglicht. Eine Singularität im algebraischen Gleichungssystem dieser Modelle wird hergeleitet sowie beseitigt. Schlussendlich werden die Berechnungsroutinen und Modelle für eine vergleichende Untersuchung zweier alternativer Klimatisierungskonzepte für Stadtbusse verwendet.

This thesis investigates two aspects of numerically efficient system modelling: calculation of thermophysical properties, and modelling of tubes and heat exchangers. Four interpolation algorithms for highly precise thermophysical properties of pure and pseudo pure fluids are discussed, implemented, and compared in terms of: calculation speed, thermodynamic consistency, amount of data required, and influence on the DAE-solving process. A new, general, fail-safe, flexible, and fast method to describe the two phase region of a binary mixture based on spline interpolation is presented, that employs the highly precise multiparameter equation of state. A simplified finite volume method that enables the numerically efficient simulation of tubes and heat exchangers on system level is discussed. For the first time the singularity occurring in the algebraic relations is located and eliminated. Finally, the above mentioned methods and models are applied to an evaluation of alternative air conditioning systems of a city bus.

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Schulze, Christian Wilhelm: A Contribution to Numerically Efficient Modelling of Thermodynamic Systems. 2013.

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