Vergleich von numerischen Methoden zur Simulation von Verdampfungsvorgängen in einem Waste Heat Recovery System

Abstract

Die Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors ist einer der Hauptziele der heutigen Fahrzeugentwicklung. Ein Potenzial zur Steigerung des Wirkungsgrades und damit zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs zeigen Systeme für die Restwärmenutzung basierend auf einem Dampfkraftprozesses mit einem organischem Arbeitsmedium. Bei diesem Prozess wird ein Teil der Restwärme an das Arbeitsmedium übertragen, welche dann in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt wird. Diese Energie kann zum Antrieb des Fahrzeugs oder zur Einspeisung für elektrische Fahrzeugkomponenten genutzt werden. Diese Arbeit befasst sich mit einem Teil des Systems zur Restwärmenutzung, dem Abgas-Wärmetauscher. Dafür werden die Simulationen der Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und dem Arbeitsmedium im Verdampfer betrachtet, wobei HFO-1336mzz(Z) als Arbeitsmedium verwendet wird. Für die Repräsentation der Zustandsänderungen des Arbeitsmediums bei den Verdampfungsvorgängen wird ein mathematisches Modell des Mediums verwendet. Zur Implementierung eines Simulationsmodells wird eine Diskretisierung der Systemgleichungen des Wärmetauschers mit Hilfe der Galerkin Methode untersucht. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf dem Entwurf eines numerisch effizienten Approximationsmodells mit hoher Genauigkeit. Allerdings erfordert eine hohe Genauigkeit meist einen hohen Rechenaufwand. Um kurze Simulationszeiten zu ermöglichen, wird bei der Galerkin Methode ein Lösungsansatz mit vier Ansatzfunktionen gewählt. Die Simulationsergebnissezeigen eine sehr gute Modellgenauigkeit für den stationären bzw. quasi-stationären Betrieb des Wärmetauschers. Für hochdynamische Vorgänge im Wärmetauscher resultieren jedoch relativ große Modellfehler. Daher ist dieses Modell keine optimale Approximation der Verdampfungsvorgänge in einem Abgas-Wärmetauscher für den dynamischen Betrieb.

Increasing the efficiency of the internal combustion engine is one of the main goals of today’s vehicle development. The organic Rankine cycle for waste heat recovery shows potential for increasing efficiency and thus reducing fuel consumption. In this process, part of the residual heat is transferred to the working medium, which is then converted into mechanical or electrical energy. This energy can be used for the propulsion of the vehicle or the supply of the electric vehicle components. This thesis deals with the exhaust gas evaporator, which is a part of the system for waste heat recovery. The simulation of the heat transfer between the exhaust gas and the working medium in the evaporator is considered, where HFO-1336mzz(Z) is used as the working medium. A mathematical model of the medium is used to represent the changes in the state of the working fluid during the evaporation processes. To implement a simulation model, a spatial discretization of the system equations of the heat exchanger is investigated using the Galerkin method. The focus of this work is on the design of a numerically efficient approximation model with high accuracy. However, a high accuracy might require a great deal of computing effort. In order to enable short simulation times, the Galerkin method uses a solution approach with four trial functions. The simulation results show a high accuracy in the case of stationary or quasi-stationary solution of the WHR system. It is, however, also shown that larger deviations occure in case of rapid dynamic changes. Therefore, the studied model is not an optimal approximation of evaporation processes with fast variations.