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Main Title: Untersuchung der Abgaswärmeübertragung und der Dampfstrahlverdichtung zur Bewertung von Dampfstrahlkälteanlagen als Ladeluftkühler aufgeladener Ottomotoren
Translated Title: Investigation of the exhaust gas heat exchange and jet-ejection for the evaluation of jet-ejector cooling systems as charge air coolers of turbocharged gasoline engines
Author(s): Zegenhagen, Mark Tobias
Advisor(s): Ziegler, Felix
Referee(s): Tsatsaronis, George
Ziegler, Felix
Hesse, Ullrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften und das Potential eines mit Abgaswärme angetriebenen Dampfstrahlkälteprozesses mit dem Kältemittel R134a zur weiteren Kühlung der Ladeluft nach der konventionellen Ladeluftkühlung bei aufgeladenen Ottomotoren im Kraftfahrzeug analysiert, indem der Abgaswärmeübertrager sowie der Dampfstrahlverdichter als Kernkomponenten des Kälteprozesses getrennt voneinander experimentell und mit Simulationsmodellen theoretisch untersucht werden. Die vom Abgas auf das Kältemittel übertragbaren Wärmeströme reichen in weiten Teilen des Motorbetriebsfelds grundsätzlich aus, um den Dampfstrahlkälteprozess anzutreiben. Die kältemittelseitig notwendigen Antriebszustände konnten im einfachen Abgaswärmeübertragerprototyp erreicht und der Prozess kann problemlos über das Kältemittelantriebsdruckniveau geregelt werden. Die Wärmeübertragung im überkritischen Druckbereich des Kältemittels wurde durch ein Modell mit geeigneten Korrekturen der gängigen Nusseltbeziehungen mit einer mittleren arithmetischen Abweichung von nur 4,7% ausreichend genau abgebildet. Mit dem Modell der unterkritischen Wärmeübertragung wurden für die Arbeit ausreichend genaue Ergebnisse erzielt. Die Skalierung der Kälteleistung des Dampfstrahlkälteprozesses in den für die mobile Anwendung interessanten Leistungsbereich von 1,5kW bis 6kW wurde mit für die weitere Kühlung der Ladeluft ausreichenden Temperaturhüben und absoluten Verdampfungstemperaturen von bis zu -15°C experimentell nachgewiesen. Die Mitführrate der Dampfstrahlverdichtung kann unter Berücksichtigung der Realgaseffekte bei gegebener Geometrie abhängig von den drei Ruhezuständen mit dem über einen physikalisch interpretierbaren Verlustkoeffizienten an die Experimente angepassten Simulationsmodell mit einer mittleren arithmetischen Abweichung von 7,8% berechnet werden. Die erzielbaren Ladelufttemperaturen von 12°C bis -3°C sind bei Ottomotoren zur Wirkungsgradsteigerung nutzbar. Der zusätzliche Energieverbrauch für die Kältemittelpumpe sowie der Rückkühlbedarf, nicht aber der erhöhte Abgasgegendruck bzw. der Kraftstoffmehrverbrauch aufgrund des Anlagengewichts, gefährden allerdings bei geringen thermischen Wärmeverhältnissen die Vorteilhaftigkeit des Konzepts. Ein grundlegender Nachteil des Dampfstrahlkälteverfahrens ist zudem die Sensitivität des thermischen Wärmeverhältnisses gegenüber der Erhöhung der Umgebungstemperatur. Die hohen Prozessleistungsdichten sind der wesentliche Systemvorteil.
The doctoral thesis at hand analyzes the characteristics and the potential of an exhaust gas heat driven jet-ejector cooling process working with R134a as refrigerant which is used for charge air cooling consecutive to the conventional charge air cooler of gasoline combustion engines in vehicles. The analysis focuses on the exhaust gas heat exchanger and the jet-ejector as core components of the cooling process which have been investigated separately by means of experiments and simulation. The heat flows transferable from the exhaust gases to the refrigerant are gene-rally sufficient to operate the jet-ejector cooling process almost in the entire operating range of the combustion engine. The necessary refrigerant-side conditions have been achieved in a simple heat exchanger prototype and the process may easily be controlled by the high side pressure of the refrigerant. The heat exchange at super-critical refrigerant pressures can be simulated with the developed model employing the adequate corrections of the well-established Nusselt relations with an arithmetic aver-age deviation of only 4.7% from the experimental results. The results of the model developed for the heat exchange at subcritical refrigerant pressures reproduce the experimental results satisfactorily for scope of the thesis. The down-scaling of the jet-ejector cooling process to the cooling capacity range of 1.5kW to 6kW for the automotive application has been experimentally demonstrated. A sufficient temperature lift and absolute evaporation temperatures of down to -15°C for the continued charge air cooling have been achieved. The entrainment ratio of the jet-ejection can be calculated for a given ejector geometry dependent on the three stagnation conditions with an arithmetic aver- age deviation of 7.8% using a simulation model which accounts for real gas effects and allows a fit of the calculated to the experimental results by means of a loss coefficient with a clear physical meaning. The potential charge air temperatures of 12°C to -3°C are adequate for improving the efficiency of gasoline engines. The additional energy consumption due to the refrigerant pump and the heat rejection demand, rather than the elevated back pressure or the additional fuel consumption due to the device's weight, may at low thermal coefficients of performance overcompensate the system's advantage. The high sensitivity of the thermal coefficient of performance to an increase of the ambient temperature is another essential disadvantage of the jet-ejection cooling process. The power densities are the substantial system advantage.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-65318
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4716
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4419
Exam Date: 19-Mar-2015
Issue Date: 28-Apr-2015
Date Available: 28-Apr-2015
DDC Class: 600 Technik, Technologie
Subject(s): Abgaswärmenutzung
Abgaswärmeübertragung
Dampfstrahlkälteanlage
Dampfstrahlverdichtung
Ladeluftkühlung
Charge air cooling
Exhaust gas heat exchange
Exhaust gas waste heat use
Jet-ejection
Jet-ejector cooling system
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de/
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