Herausforderungen bei der Entwicklung von Komponenten für Wasserstoffsysteme

Angesichts der einzigartigen Beschaffenheit von Wasserstoff und der anspruchsvollen Rahmenbedingungen, unter denen diese Komponenten arbeiten, müssen sie so konzipiert sein, dass sie Folgendes gewährleisten:

1. Präzise Durchflussregelung
   • Genaue Regelung des Wasserstoffdurchflusses und -drucks, um die Effizienz und Leistung des Systems zu gewährleisten.
2. Umfangreiche Palette von Betriebsbedingungen
   • Anpassung an extreme Druckverhältnisse und Temperaturen bei verschiedenen Anwendungen.
3. Dynamische Systemintegration
   • Gewährleistung eines nahtlosen Betriebs innerhalb größerer Systeme, wie Antriebs-, Speicher- oder Transportnetze.
4. Sicherheit und Verlässlichkeit
   • Verhinderung von High-pressure-Peaks und Einhaltung strenger Sicherheitsstandards.

Simcenter Amesim ist das bevorzugte Simulationswerkzeug für den Entwurf von Komponenten, die in verschiedenen Wasserstoffsystemen eingesetzt werden: Kleine Druckregler, zur präzisen Steuerung in Brennstoffzellensystemen und Speichertanks, Kompressionssysteme, zur Steuerung von Durchfluss und Druck in Tankstellen, große Transportventile, zur Gewährleistung einer sicheren und effizienten Wasserstoffverteilung in Pipelines.

Mit Amesim kann man die Herausforderungen sowohl auf der Komponenten- als auch auf der Systemebene angehen:

1. Modellierung auf geometrischer Ebene

• Modellierung des Ventilverhaltens mit detaillierter geometrischer Präzision, wie in Abb. 1 gezeigt, wo das Modell eines H2-Druckregelventils betrachtet wird, inklusive:
  • Orifice shapes, Spring-Dynamik, Strömungswege.
  • Wechselwirkungen zwischen Fluid- und mechanischen Komponenten, die das Ventilverhalten beeinflussen
• Bewertung des Einflusses der Form auf Strömungseigenschaften, Fluidtemperatur, Druckabfall und Leistung.
• Optimierung des Ventilverhaltens, indem man verschiedene Kombinationen geometrischer Parameter untersucht.

Abb. 1: Simcenter Amesim Modell eines Druckreglers

2. Simulation des tatsächlichen Gasverhaltens

• Simulieren Sie Wasserstoff als reales Gas unter hohem Druck mit Hilfe fortschrittlicher Zustandsgleichungen (EoS). In Abb. 2 sind die Ergebnisse für verschiedene in Simcenter Amesim verfügbare Gasmodelle gegenüber experimentellen Daten unter Berücksichtigung des im vorherigen Abschnitt erwähnten Druckreglers dargestellt.
• Genaue Vorhersage der Auswirkungen von Kompression, Strömungsdynamik und Temperaturänderungen.

Abb. 2: Entwicklung des Drucks nach dem Regler unter Berücksichtigung verschiedener Gasmodelle

3. Integration in komplexe Multi-Domain-System-Simulationen

• Modellierung hydraulischer Komponenten als Teil größerer Wasserstoffsysteme, wie z.B.:
  • Kompressionssysteme für Tankstellen
  • Speichertanks
  • Antriebssysteme für Brennstoffzellenfahrzeuge
  • Transport-Pipelines und -netze
• Testen, wie sich die Leistung der Ventile auf Effizienz und Sicherheit des Gesamtsystems auswirkt, Ermittlung der Eigenfrequenzen, die die Rohrleitungen charakterisieren, und Vermeidung des Auftretens potenzieller Resonanzphänomene, und zwar noch vor dem Bau und der Integration der Komponenten in das System.

Abb. 3: Ventile in einem Hydrauliknetzwerk für die Wasserstoff-Speicherung

In Abb. 3 werden Ventile in einem Speichersystem verwendet, in dem verschiedene Tanks vorhanden sind; diese Speicheranordnung ist in vielen Anwendungen im Zusammenhang mit Wasserstoff üblich, z. B. in Skids.
Das Öffnen/Schließen der Ventile wird durch Signale gesteuert, so dass man mit diesem Modell unterschiedliche Steuerungsstrategien testen kann.
Die dynamischen Effekte (wie Druckspitzen/Peaks, Änderung Massendurchfluss, usw.) aufgrund des Öffnens/Schließens der Ventile werden von unserem Modell korrekt vorhergesagt.

4. Dynamische Analyse der Betriebsbedingungen

• Simulation des Ventilverhaltens unter verschiedenen Bedingungen, einschließlich:
  • Häufige Öffnungs- und Schließzyklen.
  • Plötzliche Druckstöße und vorübergehende Ereignisse.

Zu verstehen, wie Durchflussmenge und Temperatur auf Druckschwankungen reagieren, ist entscheidend für die Optimierung der Leistungsfähigkeit von Ventilen in Wasserstoffsystemen.

Abb. 4: Multiphysik-Modell eines Wasserstoff-Einspritzventils mit Simcenter Amesim

In Abb. 4 ist das Multiphysik-Modell eines Wasserstoffeinspritzventils für Anwendungen im Automobil-Sektor dargestellt. Herkömmliche Direkteinspritzventile haben sich nach innen öffnende Einspritznadeln. Bei einer H2-Einspritzdüse mit mittlerem Druck führt dieser Nadeltyp jedoch zu Dichtungsproblemen: Er kann sich durch den Zylinderdruck öffnen, da dieser höher ist, als der Druck im Inneren der Einspritzdüse. Folglich würde ein möglicher Rückfluss zum Einspritzventil ernsthafte Sicherheitsbedenken hervorrufen. Einige Automobilzulieferer setzen auf folgende Lösung: Sie ersetzen die herkömmliche Konstruktion durch einen sich nach außen öffnenden Einspritzdüsentyp, der durch den hohen Zylinderdruck abgedichtet wird. Der pneumatische Teil steht in Wechselwirkung mit dem elektromechanischen Magneten, (der die Position der Einspritzventilnadel steuert,) und dem Hydraulik-Kreislauf.

Abb. 5: Dynamische Entwicklung des Drucks nach der Düse des Einspritzventils

5. Optimierung und virtuelle Tests

• Optimierung der Ventilkonstruktion zur Minimierung von Druckabfall und Energieverlusten.
• Validierung von Entwürfen anhand von Industrienormen und Sicherheitsanforderungen.
• Durchführung virtueller Tests, um Kosten und Zeitaufwand für physische Prototypen zu reduzieren.

Fallstudie: OMB Saleri verwendet Simcenter Amesim, um die Ventilkonstruktion zu optimieren

Die Firma OMB Saleri ist ein führender Ventilhersteller und nutzt Simcenter Amesim zur Modellierung und Optimierung seiner Druckregler für Wasserstoffantriebssysteme. Hier einige Erfolgs-Fakten:

1. Geometrische Modellierung:
   • Entwicklung eines detaillierten Modells der Ventilgeometrie, einschließlich der internen Strömungswege und Federmechanismen.
   • Simulierung der Strömungs- und Druckdynamik, um verbesserungsfähige Bereiche zu ermitteln.
2. Systemintegration:
   • Das Ventil wurde in einem Antriebssystemmodell getestet, um seine Interaktion mit den Brennstoffzellenkomponenten zu bewerten.
3. Dynamische Leistung:
   • Simulation transienter Prozesse, um ein stabiles Verhalten des Ventils unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten.
4. Ergebnisse:
   • Reduzierung der Druckverluste um 15 %.
   • Verbesserung der Reaktionszeit des Ventils um 20 %.
   • Sicherstellung der Einhaltung aller H2-Sicherheitsstandards.

Mehr über den Success Case lesen: Success Case

Simcenter Amesim: Wettbewerbsvorteile bei die Entwicklung von Ventilen

Simcenter Amesim bietet unübertroffene Fähigkeiten für den Ventilentwurf in der Wasserstoffindustrie:

• Vorkonfigurierte Bibliotheken: Modelle für Ventile, Wasserstoffkomponenten und Fluidsysteme.
• Multi-physik-Simulation: Nahtlose Integration von mechanischen, fluiden und thermischen Analysen.
• Intuitive Schnittstelle: Vereinfacht die Konfiguration und beschleunigt die Validierung.
• Erweiterte Optimierungs-Tools: Zur Abstimmung der Parameter, um Effizienz- und Sicherheitsziele zu erreichen.

Schlussfolgerung

Ventile sind für den Erfolg von Wasserstoffsystemen von entscheidender Bedeutung, und ihre Entwicklung muss Präzision, Sicherheit und Effizienz in Einklang bringen. Simcenter Amesim ermöglicht es, das Verhalten von Ventilen zu modellieren und zu optimieren, von geometrischen Details bis hin zur systemweiten Integration. Durch die Nutzung der fortschrittlichen Simulationsfunktionen können Ventilhersteller ihre Entwicklungskosten senken, Innovationen beschleunigen und eine zuverlässige Leistung in anspruchsvollen Wasserstoffanwendungen gewährleisten.

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