Bachelorarbeit Sven Hinrichs

 

Automatisierte Dokumentation komplexer Simulationsmodelle am Beispiel eines Expansionsventilmodells für Kältemittelkreisläufe

Zur nachhaltigen Modellentwicklung komplexer Simulationsmodelle ist eine vollständige Dokumentation notwendig. In kurzen Entwicklungszyklen wird dieser jedoch meistens zu wenig Wichtigkeit zugetragen, wodurch die Wiederverwendbarkeit reduziert wird. Aus diesen Gründen soll im Rahmen dieser Arbeit eine Methodik zur automatischen Dokumentation von Simulationsmodellen für die Modellierungssprache Modelica erstellt werden.

Diese soll auf Basis von UML/SysML geschehen und dient zur Visualisierung der Modellstruktur und zum Herabsenken der Einstiegshürde neuer Modell-Entwickler. Die Vorteile liegen in der Entwicklung des Modellierungsprozesses und gibt dem Modellierer jederzeit einen Überblick über die derzeitige Situation des Modells. Besonders für unerfahrene Entwickler eignet sich die Darstellung für einen systematischen Einstieg in die Modellentwicklung. Zudem soll dies als Einstieg in eine automatische Modellgenerierung aus der Systemmodellierungssprache SysML dienen. Als Demonstrationsbeispiel wird das Expansionsventil eines Kältemittelkreislaufs genutzt. Anhand dessen wird auf die methodische Entwicklung der Dokumentation eingegangen.

Das Expansionsventil (EV) ist eine wichtige Komponente im Kältemittelkreislauf und dient als Steuerelement für den Massenstrom. Dieses entspannt das Kältemittel vom Hochdruck- auf ein Niederdruckniveau und führt dem Verdampfer den Massenstrom als Dampf-/ Flüssigkeitsgemisch zu. Somit hat es zwei wichtige Funktionen: Die Einstellung der Überhitzung am Verdampfer sowie dem thermodynamischen Zustand des Kältemittelmassenstromes am Kompressoreintritt, da Tröpfchenschlag am Kompressor zu vermeiden ist. Das EV ist für die Lebensdauer und dem Verschleiß der Wärmepumpe mitentscheidend.

Die Entspannung von Kältemittel im EV ist durch die Überlagerung von thermodynamischen und Strömungsmechanismen komplex. Dadurch ist eine vollständige Beschreibung schwierig. Im Rahmen dieser Arbeit soll daher in Modelica ein Simulationsmodell entwickelt werden unter der Nutzung verschiedener Grey-Box-Ansätze sowie zur Abbildung dynamischer Randbedingungen. Das Modell des Expansionsventils basiert auf der Bernoulli´schen Energiegleichung mit einem Durchflusskoeffizient als Korrekturfaktor. Außerdem wird der Drosselmechanismus und Metastabilitätskoeffizient betrachtet. Die Modellierung berücksichtigt die normativen Standards nach DIN 9126, um eine hohe Softwarequaltität sicherzustellen.

Im weiteren Verlauf der Arbeit wird eine kritische Diskussion über die interaktive Simulation von SysML-Modellen mithilfe von Modelica-Modellen ausgeführt. Sie dient als Vorarbeit für eine automatische Modellgenerierung. In diesem Ansatz soll die graphische Systemmodellierungssprache SysML Modellierungsmodelle erzeugen und in ausführbare Modelica Modelle übersetzen können.