(openPR) In der Pressemitteilungsreihe "Spezialthemen in der CAE-Simulationswelt" gehen wir nunmehr auf die CHT-Simulation eines flüssigkeitsgekühlten Hochleistungswiderstands ein.
Bei der Conjugate Heat Transfer-Simulation (CHT-Simulation) handelt es sich um eine Strömungssimulation (CFD) bei der Wärmeübergänge mit einbezogen werden. Dazu erfolgt eine Kopplung der Strömungsgebiete mit angrenzenden Festkörpergebieten. Die Kopplung ermöglicht die Simulation des Wärmeflusses zwischen Fluid und Festkörper. Die Hochleistungswiderstände werden in der CHT-Simulation somit als Festkörper betrachtet, die Wärme an das kühlende Fluid abgeben.
Die Flüssigkeitskühlung der Hochleistungswiderstände dient der Erzielung höherer elektrischer Leistungsdichten und einer geringeren Wärmeabgabe in die Umgebung.
Die Einsatzgebiete von fluidgekühlten Hochleistungswiderständen sind von vielfältiger Natur. Bei Rekuperationssystemen mit flüssigkeitsgekühlten Hochleistungswiderständen wird beispielsweise die elektrische Bremsenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Diese Wärmeenergie kann in Heizsystemen wieder genutzt werden.
Als Kühlungsmedium wird oftmals Wasser verwendet. Es kann zu Frostschutzzwecken mit Glykol versetzt werden.
Aufgrund der hohen Leistungsdichte ist bei flüssigkeitsgekühlten Hochleistungswiderständen eine kompakte Bauweise möglich. Es werden vorwiegend Module hergestellt, die in Reihe und/oder parallel zu Widerstandsgruppen zusammengeschaltet werden. Das Leistungsvermögen der einzelnen Module kann in der Größenordnung von mehreren 10 kW liegen.
Die flüssigkeitsgekühlten Hochleistungswiderständen in Modulbauweise bieten einen breiten Einsatzbereich. Sie werden u.a. eingesetzt bei elektrischen Bremsvorgängen, in Kransystemen, bei Betonpumpen, im Bergbaubereich und in Nutzfahrzeugen sowie der Bahntechnik.
Untersuchungen an Prototypen eines fluidgekühlten Hochleistungswiderstands hatten das Ergebnis, dass eine inhomogene Temperaturverteilung im Kühlsystem mit hohen lokalen Temperaturen vorlag, die insbesondere aufgrund der damit verbundenen thermomechanischen Belastungen zu einer stark reduzierten Lebensdauer des Hochleistungswiderstands führt.
Daher wurden die Strömungsquerschnitte hinsichtlich eines gleichmäßigen Durchflussvermögens bei den einzelnen Widerstandssegmenten mittels CFD-Simulation optimiert.
Das Bild zeigt den Vergleich zwischen Ausgangsgeometrie und optimierter Querschnittsgeometrie.
Das Temperaturfeld und das damit verbundene Kühlungsverhalten konnten durch die Veränderung der Strömungsgeometrie insbesondere in den Übergängen zu den Widerstandselementen homogenisiert werden und gleichermaßen konnte die maximale Temperatur im System signifikant gesenkt werden. Die Lebensdauer und Energieeffizienz des Hochleistungswiderstands sind somit durch den Einsatz der CFD-Simulation signifikant gesteigert worden.
