Control of the condenser in a waste heat recovery system

Abstract

Ein vielversprechender Ansatz um die Treibstoffeffizienz in der Automobilindustrie zu verbessern, ist die Einführung eines Systems zur Abwärmerückgewinnung. Aufgrund des zusätzlichen Gewichts eignet sich dieser Ansatz am Besten für schwere LKW. Das in dieser Arbeit betrachtete Abwärmerückgewinnungssystem verwendet Ethanol als Arbeitsmedium um eine Turbine in einem "Organic Rankine Cycle" zu betreiben. Die niedrige Sättigungstemperatur des Ethanols ermöglicht einen effizienten Wärmeübergang durch die hohe Temperaturdifferenz zum Abgas. Im Gegensatz zu den meisten Abwärmerückgewinnungssystemen ist der Niederdruckteil hydraulisch abgeschlossen. Damit kann der Druck unter den Umgebungsdruck gesenkt werden, was zu einem zusätzlichen Freiheitsgrad für die Regelung führt. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Regelstrategien für den Niederdruckteil des Abwärmerückgewinnungssystems. Das mathematische Modell für den Kondensator wird mittels des Massenerhaltungssatzes, des Energieerhaltungssatzes und der finiten Volumen Methode hergeleitet. Dieses vollständige Modell wird vereinfacht, um die Anzahl der Systemzustände zu verringern. Weiters wird es um einen Arbeitspunkt linearisiert, um die Verwendung von linearen Regelungsstragien zu erlauben. Zur Regelung des Arbeitsmediums am Auslass des Kondensators wird ein erweiterter LQ-Regler entwickelt. Kombiniert wird dieser mit einem vollständigen Luenberger Beobachter, da lediglich der Ethanoldruck und die spezifische Enthalpie des Ethanols am Auslass des Kondensators gemessen werden. Zur Evaluierung der entwickelten Regelungsund Beobachterstruktur in einem realistischen Szenario wird ein passender Referenzzyklus verwendet. Es wird gezeigt, dass der Regler die geforderte Unterkühlung des Ethanol regulieren kann. Der Beobachter filtert das Messrauschen ausreichend und liefert gute Schätzwerte der Systemzustände.

A very promising solution to improve the fuel efficiency in the automotive industry is the introduction of a waste heat recovery system. Due to the considerable additional weight, this solution is best suited for heavy-duty trucks. The waste heat recovery system examined in this thesis uses ethanol as the working fluid to drive a turbine in an Organic Rankine Cycle. The low saturation temperature of ethanol allows a high efficiency of the heat transfer, due to a high temperature difference to the exhaust gas. Contrary to most waste heat recovery systems, the low-pressure part is considered as hydraulically closed. This allows pressures below the atmospheric pressure and adds an additional degree of freedom for the control. This diploma thesis concentrates on control strategies for the low-pressure part of the waste heat recovery system. The mathematical model for the condenser is derived using the conservation of mass, the conservation of energy and a finite volume approach. This model is simplified to reduce the number of system states and linearized at a steady-state operating point to allow the use of linear control theory. A modified LQR control strategy is developed to control the working fluid state at the condenser outlet. It is combined with a Luenberger observer, since only the ethanol pressure and the specific enthalpy of the ethanol at the condenser outlet are measured. To evaluate the developed controller and observer in a realistic operating scenario, a suitable reference cycle is used. It is shown that the controller can adjust the required subcooling of the ethanol at the condenser outlet. The observer can filter the measurement noise of the sensors sufficiently good and yields good estimates for the system states.