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Thermische Rekuperation im instationären Betrieb - Ein Beitrag zur Optimierung des Clausius-Rankine-Prozesses zur Wärmerückgewinnung im Kraftfahrzeug

Franke, Andreas :
Thermische Rekuperation im instationären Betrieb - Ein Beitrag zur Optimierung des Clausius-Rankine-Prozesses zur Wärmerückgewinnung im Kraftfahrzeug.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Thermische Rekuperation im instationären Betrieb - Ein Beitrag zur Optimierung des Clausius-Rankine-Prozesses zur Wärmerückgewinnung im Kraftfahrzeug
Language: German
Abstract:

Kontinuierlich steigende Energiekosten, bedingt durch die Endlichkeit fossiler Brennstoffe sowie die durch den Gesetzgeber immer weiter verschärften Grenzwerte für die Emission von CO2, setzen die Automobilindustrie zunehmend unter Druck, dieser Problematik durch die Erforschung und Umsetzung neuer Technologien im Antriebsbereich entgegenzuwirken. Anhand zahlreicher Veröffentlichungen ist ein klarer Trend hin zur Entwicklung rekuperativer Technologien zu erkennen. Neben bekannten Verfahren rückt dabei allmählich die thermische Rekuperation in den Vordergrund, um auch die über das Abgas und Kühlwasser abgeführte Abwärme im Fahrzeug nutzbar zu machen. Als „Bottoming Cycle“ in stationären Anlagen ist der Clausius-Rankine-Prozess bereits Stand der Technik zur Umwandlung von Wärme in technische Arbeit. Die nahezu exponentiell ansteigende Zahl an Veröffentlichungen zum Einsatz des Organic-Rankine-Cycle (ORC) deutet darauf hin, dass diese Technologie einen vielversprechenden Ansatz zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und Schadstoffausstoßes im Pkw darstellt. Insbesondere durch die Miniaturisierung des ORC sowie unter den transienten Betriebsbedingungen im Pkw und unter Berücksichtigung der zur Zertifizierung relevanten Bedingungen ergeben sich hierdurch Restriktionen, die die Effizienz solcher Systeme mindern. Die vorliegende Arbeit soll anhand theoretischer und experimenteller Analysen von Komponenten zur Effizienzsteigerung ihren Beitrag zur Verbesserung der Wirkungsgrade leisten. Den zentralen Teil stellt dabei die Untersuchung der Komponenten Ejektor, Innerer Wärmetauscher (IWT) und Füllstandkompensationseinheit (FKE) sowie deren Einfluss auf das Druckverhältnis und das Kaltstartverhalten des Systems dar. Das Druckverhältnis als integraler Parameter im ORC nimmt direkten Einfluss auf die erzielbare Leistung und unterliegt im transienten Fahrbetrieb starken Schwankungen. Um die Möglichkeiten der Einflussnahme zu untersuchen, steht zu Beginn der Aufbau eines Versuchsfahrzeugs als Träger eines ORC-Systems zur thermischen Rekuperation der Abgasenthalpie. Hinzu kommt eine theoretische und experimentelle Studie zu Ejektoren und deren Einsatzmöglichkeit zur Wirkungsgradsteigerung des Systems über die zusätzliche Wärmeaufnahme aus dem Kühlwasser. Basierend auf den Erkenntnissen experimenteller Versuchsdurchführungen am Prototypenträger und nach Vermessung des „Basis-Systems“ erfolgt die schrittweise Erweiterung um eine FKE und einen IWT.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Automotive industry is increasingly under pressure to develop and implement new technologies in the area of motor drive as they are facing the continuously ascending energy costs caused by the finite nature of fossil fuel supply as well as the increasingly stringent limitation of CO2 emission given by law. Based on numerous publications, a clear trend towards the development of recuperative technologies can be seen. Besides to known processes, thermal recovery is coming to the fore in order to recover the wasted heat of the exhaust gas and cooling water in the vehicle. The Clausius-Rankine process that is converting heat into technical work is already state of the art. This process is also known as "bottoming cycle" in stationary facilities. The almost exponentially increasing number of publications on using the Organic Rankine Cycle (ORC) suggests that this technology represents an auspicious approach to reduce fuel consumption and emissions in passenger cars. Taking the miniaturization of the ORC, the transient operating conditions in a passenger car as well as the relevant conditions of certification into account, there are numerous restrictions that reduce the effectiveness of such systems. The present thesis is supposed to contribute to the improvement of the system efficiency with the help of theoretical and experimental analyzsis of components to improve efficiency. The central part illustrates the investigation of the components ejector, internal heat exchanger (IWE) and level compensation unit (LCU) as well as their impact on the pressure ratio and the cold start performance of the system. The pressure ratio as an integral parameter in the ORC is influencing directly the achievable performance and is subject to strong fluctuations under transient conditions. A test vehicle carrying an ORC system for thermal recuperation of the exhaust gas enthalpy was set up in order to investigate the possibilities of intervention. In addition, a theoretical and experimental study of ejectors as well as of possible applications to increase the efficiency of the system by using additional heat from the cooling water was carried out. Based on the findings of the experiments on the test vehicle and after measuring the "base system" the ORC was step by step extended with a LCU and IHE.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Kraftfahrzeug, Clausius-Rankine, Abwärmenutzung, Wärmerückgewinnung, transienter Betrieb, Druckverhältnis, Optimierung, Ejektor, Interner Wärmeübertrager IWÜ / IWT, Füllstand Kompensationseinheit FKE,
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
passenger car, waste heat recovery, transient conditions, pressure ratio, optimization, ejector, internal heat exchanger IHE, level compensation unit LCUEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Automotive Engineering (FZD)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 03 Jun 2016 11:57
Last Modified: 03 Jun 2016 11:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-54832
Referees: Stephan, Prof. Peter and Koch, Prof. Thomas
Refereed: 26 April 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5483
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