Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2782
Main Title: Wärmemanagement im Automobilscheinwerfer
Translated Title: Thermal Management of Automotive Headlamp
Author(s): Ponca, Ewa
Advisor(s): Enders, Sabine
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden sowohl experimentelle als auch numerische Methoden zum effektiven Wärmemanagement erläutert. Ein effektives Wärmemanagement bedeutet Verhinderung der lokalen Überhitzungen im Scheinwerfer mit gleichzeitiger Reduzierung der Kondensation an der Abschlussscheibe. Mithilfe einer Simulationsmethode soll ein umfangreiches Studium der inneren und der äußeren Einflüsse, sowie der Einflüsse der Einbauten im Scheinwerfer auf das Wärmemanagement und die Kondensatbildung erfolgen. In einem Experiment werden das Temperaturfeld und die Verteilung der relativen Feuchtigkeit mithilfe einer Doppelklimakammer bestimmt und auf die Kondensatbildung untersucht. In den nächsten Schritten findet die numerische Abbildung des Einflusses der freien und der gemischten Konvektion auf den Wärmetransport im Kfz-Scheinwerfer und dessen experimentelle Verifizierung statt. Bei den numerischen Untersuchungen wird das Scheinwerfermodell mit dem kommerziellen Programm STAR-CD dreidimensional berechnet. Unter Verwendung von einer numerischen Berechnung wird der Be- und Enttauungsprozess im Kfz-Scheinwerfer entwickelt und experimentell verifiziert. Der Einfluss der Temperatur, der relativen Feuchtigkeit und der Scheinwerfergeometrie auf die Kondensatbildung wird mithilfe von zwei Xenon-Serienscheinwerfern und deren Modifikationen zur Verhinderung der Kondensation untersucht. Zu den Modifikationen zählen: - zusätzliche Öffnung am Gehäusedeckel - Anti-Fog-Beschichtung - Schlauchlösung. Mit dem Serienstand und der zusätzlichen Öffnung am Gehäusedeckel wird der Einfluss freier Konvektion auf die Kondensatbildung analysiert. Mithilfe einer Anti-Fog-Beschichtung wird der Einfluss der Oberflächeneigenschaften auf die Kondensatbildung erforscht. Mit der sog. Schlauchlösung wird der Einfluss einer gemischten Konvektion untersucht. In diesem Fall wird am Gehäuse des Scheinwerfers ein Schlauch angeschlossen und im Motorraum, wo hohe Druckdifferenzen herrschen, verlegt. Somit werden die Strömungsgeschwindigkeiten im Scheinwerfer signifikant erhöht und das Enttauungsverhalten wird verbessert. Es wurde eine gute qualitative und quantitative Übereinstimmung zwischen Messergebnissen und CFD-Simulation gefunden (±2 K). Dadurch wird eine sichere Basis geschaffen, die für die Berechnung des Wärmetransports und Kondensatbildung in der komplexen Serienscheinwerfergeometrie herangezogen werden kann. Die Rechenzeit der instationären CFD-Modellierung der Be- und Enttauungsprozesse wurde signifikant reduziert. Sowohl in der Simulation als auch bei der visuellen Beobachtung der Kondensatbildung konnte ein analoger Verlauf festgestellt werden. Besonders bemerkenswert ist die sehr gute Übereinstimmung bzgl. der örtlichen Verteilung des Kondensatfilms.
The present work aims at predicting and highlighting the mechanisms leading to the undesired water condensation in serial headlamps as well as investigating methods for the reduction of hot spots. The headlamps under consideration are compact (less than 9l) with an esthetic volume distribution and include different types of radiation sources: thermal, plasma and solid-state. In this context a thermal model of water condensation supported by a transient simulation on real headlamps using water film model are introduced. The temperature limits and the relative humidity leading to condensation through a convection process (3D steady-state mode) are analyzed under the following conditions: constant temperature of the housing (40 °C) and time-varying temperature of the outer-lens ranging (from 20 °C to -2 °C; (2 K/min)). Different values of the relative air humidity were considered (50 %, 70 % and 90 %). The approaches that aim avoiding water condensation and hot spots consisted in achieving a desired leakage in the cover, anti-fog coating and integrating ventilation tube. These approaches were tested using two types of serial headlamps and applying a condensation cycle for the simulation of the urban conditions. During this condensation cycle, the thermodynamic parameters, such as relative air humidity and temperature, were measured at different points inside the head lamp and as function of time. The approach using an integrated ventilation tube proved efficient in avoiding water condensation and reduces significantly the hot spot. The performances of the anti-fog coating approach depend on the number of cooling cycles. However, the desired leakage approach does not show any improvement. On the contrary, water condensation is more pronounced than in the serial headlamp. Optimization of thermal modeling of water film condensation and reducing transient simulation time were based on a simple 2D-geometry. The optimized model of water film with it’s reduced iteration time were applied to the real headlamp as follows: a) 15 minutes transient simulation of water condensation process b) 10minutes transient simulation of water evaporation. As a result, we could reduce the simulation time of about 60% in comparison with commercial solution software. Measurements were compared to the outcome of the simulations and found out to be correlated to a high degree. Key parameters for a best practice scenario that complies with automotive constraints such as position of the sources and distance to the lens were identified. The simulation method is integrated into the design workflow of serial headlamps. All in all, it is shown through this work how water condensation heat- and mass-transfer in a compact headlamp are not only influenced by the air velocity and the temperature distribution in and around a headlamp, but also by the water humidity around it. Key words: CFD, water condensation, evaporation, defogging, heat- and mass-transfer, radiation, headlamp, automotive
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-29868
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3079
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2782
Exam Date: 30-Sep-2010
Issue Date: 30-Mar-2011
Date Available: 30-Mar-2011
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Automotive
CFD Simulation
Kondensation
Scheinwerfer
Wärmemanagement
CFD
Defogging
Headlamp
Heat- and mass-transfer
Water condensation
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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