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Dampferzeugeroptimierung zur Abwärmenutzung mittels Dampfkraftprozess an mobilen Verbrennungsmotoren
Stinner, Karl
Die im Kraftstoff gespeicherte Energie wird auch bei modernsten Verbrennungsmotoren nur zu ungefähr 30% in mechanische Antriebsleistung umgewandelt. Der größere Teil geht als Abwärme an die Umgebung verloren. Der daraus resultierende mittlere Wirkungsgrad des Pkw-Verbrennungsmotors kann jedoch durch teilweise Umwandlung der thermischen Energie erhöht werden.
Hierzu kann die im Abgas verbleibende thermische Energie durch eine Abwärmenutzung (AWN) mittels Dampfkraftprozess in mechanische Energie umgewandelt und so Kraftstoff eingespart und Abgasemissionen reduziert werden. Neben der Expansionsmaschine ist der Dampferzeuger als Schnittstelle zwischen Wärmequelle und AWN die wichtigste Komponente im Kreisprozess des AWN-Systems.
In der vorliegenden Arbeit wird der Dampferzeuger dieses AWN-Systems genauer untersucht und ein Verfahren zur thermohydraulischen Optimierung des Dampferzeugers vorgestellt. Für die in dieser Optimierung integrierte detaillierte Geometrieauslegung, die eine Bewertung der Dampferzeugerfertigung und speziell der Serienfertigung ermöglichen soll, wird eine Geometrievariation für einen vorgegebenen Bauraum für die drei Dampferzeugertypen Rohrbündel, Rippenrohrbündel und Kreuzstromplatte durchgeführt. Die von den jeweiligen Geometrien abhängigen Dampferzeugereigenschaften, wie z. B. übertragene Leistung, Druckverlust sowie Temperatur- und Druckverlauf, werden für einen Mittel- und einen Hochlastpunkt bestimmt.
Die Dampferzeugeroptimierung erfolgt dann mittels einer multikriteriellen Optimierung und gewichteten Kriterien. Optimierungskriterien sind die übertragene thermische Leistung, der abgasseitige Druckverlust und das Dampferzeugergewicht. Für die Bestimmung der Dampferzeugereigenschaften und Bewertungsgrößen wird der aktuelle Stand der Forschung und Technik bezüglich der Korrelationsgleichungen für die Berechnung des übertragenen Wärmestroms und des Druckverlustes für den Rohrbündel-, Rippenrohrbündel- und Kreuzstromplattendampferzeuger diskutiert und entsprechende Gleichungen ausgewählt. Diese Berechnungsgleichungen werden in einem Zellenmodell und der zugehörigen Bilanzierung angewendet. In einem abschließenden Optimierungsschritt werden mit Hilfe einer quasistationären Simulation die Dampferzeugereigenschaften auch im Referenzfahrzyklus bestimmt und die Optimierung ebenfalls auf diese Eigenschaften angewendet.
Das Ergebnis der Dampferzeugeroptimierung ist, dass es mehrere lokale Optima gibt, welche sich deutlich in der Geometrie unterscheiden. Die Dampferzeuger dieser Optima sind entweder Rohrbündel oder Kreuzstromplatten und liegen innerhalb der besten 5%. Sortiert man die Dampferzeuger entsprechend der Optimierungsergebnisse ergibt sich ein flaches Optimum. Die optimierten Rippenrohrbündeldampferzeuger sind nicht optimal. Sie übertragen bei vergleichbarem abgasseitigen Druckverlust 12% bis 14% weniger thermische Energie im Referenzfahrzyklus. Zusätzlich gilt für alle Geometrietypen, dass die Generalisten die Optimierungskriterien besser erfüllen als die auf ein Optimierungskriterium spezialisierten Dampferzeuger (Spezialisten).
Aufgrund des flachen Optimums ist keine erneute Optimierung des Dampferzeugers bei Unsicherheiten in der Vorgabe der Betriebsbedingungen (Temperatur, Druck, Massenstrom des Motorabgases und des Arbeitsmediums), des Bauraums oder des Referenzfahrzyklus notwendig. Auch moderate Abweichungen in den Gewichtungskoeffizienten erfordern keine Neuauslegung.
Mit Hilfe von Validierungsversuchen an einem speziell für die Dampferzeugervermessung aufgebauten Versuchsstand und Messungen im Strömungskanal an variierten Dampferzeugerteilmodellen werden die Berechnungsgleichungen des Optimierungsverfahrens auf ihre Gültigkeits- und Genauigkeitsgrenzen untersucht. Die Berechnungsungenauigkeit der übertragenen thermischen Leistung, dem wichtigsten Optimierungskriterium, ist ±15%. Im relevanten Motorkennfeldbereich reduziert sich die Ungenauigkeit auf ±5%. Der abgasseitige Druckverlust, das zweitwichtigste Optimierungskriterium, wird mit einer Ungenauigkeit von ±35% berechnet.
Das vorgestellte Dampferzeugeroptimierungsverfahren ermöglicht somit die Auswahl eines Dampferzeugers für die AWN mittels Dampfkraftprozess in unterschiedlichen Fahrzeugen für verschiedene Referenzfahrzyklen. In Kombination mit einer Optimierung der restlichen Einzelkomponenten des AWN-Systems wird somit eine Effizienzsteigerung des Gesamtsystems Fahrzeug ermöglicht.
Even the most modern combustion engines only transform around 30% of the energy stored in fuel into mechanical drive power. The greater part is lost to the environment in the form of exhaust heat. However, the average efficiency of the car combustion engine can be increased by partial transformation of this thermal energy.
To achieve this, the residual thermal energy in the exhaust can be transformed into mechanical energy using a waste heat recovery (WHR) unit powered by steam; this saves fuel and reduces exhaust emissions. The steam generator acts as the interface between the heat source and the WHR and can thus be considered to be, alongside the expansion engine, the most important component in the WHR system.
In this thesis, the steam generator for the WHR system is studied in detail, and a procedure is proposed for its thermo-hydraulic optimisation. The optimisation process integrates a detailed geometrical configuration, intended to facilitate evaluation of steam generator manufacture, and in particular batch production. To this end, geometrical variants are evaluated within a specified construction space for three types of steam generator: tube bundle, finned tube bundle and cross-flow plate. Geometry-dependent steam generator characteristics, such as transferred power, pressure loss, temperature gradient and pressure gradient, are determined for average- and high-load points.
The steam generator is then optimised using multicriteria optimisation and weighted criteria. The optimisation criteria are: the transferred thermal power, the exhaust pressure loss, and the weight of the steam generator. Towards subsequent determination of the steam generator characteristics and evaluation variables, a discussion follows of the current state of the art and latest research relating to correlation equations that can be used to calculate the transferred heat flow and pressure loss for the three steam generators – tube bundle, finned tube bundle and cross-flow plate; corresponding equations are then chosen. These formulae are applied to a cellular model and the associated equivalences. In a subsequent optimisation stage, steam generator characteristics are determined for the reference driving cycle with the aid of a quasi-stationary simulation; the optimisation is then applied to these characteristics.
The results of this steam generator optimisation reveal that there are several local optima, which differ significantly in terms of geometry. The steam generators yielding these optima are either tube bundle or cross-flow plate; the optima are within the top 5%. Sorting the steam generators according to the results of the optimisation yields a broad optimum. The optimised finned tube bundle steam generators are not optimal: for comparable exhaust gas pressure loss in the reference driving cycle, they transfer between 12% and 14% less thermal energy. For all geometry types, it furthermore holds that the generalists fulfil the optimisation criteria better than steam generators specialised to a single optimisation criterion (specialists).
Due to the broad optimum, it is not necessary to re-optimise the steam generator when there are uncertainties in the specified operating conditions (temperature, pressure, engine exhaust mass flow, working medium), construction space or reference driving cycle. Moderate deviations in the weight coefficients likewise do not necessitate reconfiguration.
By means of validation trials on a test stand specially constructed for steam generator measurements, along with flow channel measurements for various steam generator partial models, the formulae for the optimisation process were studied in terms of their validity and accuracy. The most important optimisation criterion is the transferred thermal power, and this is calculated to an accuracy of ±15%. In the relevant engine range, the accuracy improves to ±5%. The second most important optimisation criterion is the exhaust gas pressure loss, and this is calculated to an accuracy of ±35%.
The proposed steam generator optimisation process thus facilitates the choice of a steam generator for a steam-powered WHR unit in diverse vehicles and for various reference driving cycles. Consequently, and in conjunction wtih optimisation of the remaining individual components of the WHR system, the efficiency of the entire vehicle system can be increased.
