Waste Heat Recovery Modellering

Sammanfattning: SammanfattningI ett tidigare projekt, utfört under våren 2010, modellerades och simulerades en ånggenerator i GT-SUITE för att analysera och jämföra dess resultat med de faktiska motormätningarna. Projektet utfördes på Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm, på uppdrag av företaget som introducerat idén, Ranotor. Konceptet gick ut på att ersätta EGR-kylaren i en lastbilsmotor och med hjälp av Rankine cykeln försöka öka motorns verkningsgrad. Ånggeneratorn består av 48 mikro tuber, som alla innehåller vatten med högt tryck, vattnet värms upp av de varma avgaserna som letts in i ånggeneratorn. Detta gör att vattnet förångas och leds sedan för att driva en expander för att avlasta motorn.Huvudfokus i detta examensarbete har varit att modellera, studera och analysera ånggeneratorns prestanda i simuleringsprogrammet GT-SUITE. För att kunna göra detta måste ånggeneratorn, även kallad HRSG (Heat Recovery Steam Generator), modelleras från grunden med specifikationer från tillverkaren. En elementarmodell byggdes inledningsvis upp för att belysa beteendet av flödet inuti mikro tuberna och vilka parametrar som påverkar resultatet av simuleringarna. Senare gjordes även en komplett identisk modell av den verkliga ånggeneratorn. Modellen användes i ESC-cykeln och även för transienta körningar, där all indata är samlad från motormätningar på den verkliga ånggenerator, monterad på en DS1301, 6-cylinder 12 liter Scania diesel motor. För att kunna förbättra simuleringen av den kompletta modellen, gjordes en nedskalad modell som bara innehöll två tuber. Denna modell har samma dimensioner och egenskaper med den kompletta modellen, men fördelen med denna tvåtubs modell är den förkortade simuleringstiden.Inlopps parametrar såsom, vattenflöde, ångtryck, avgasflöde och avgastemperaturen togs från verkliga motormätningar. Samtliga parametrar varierar med tiden; detta gör det möjligt att göra en direkt jämförelse mellan den verkliga ånggeneratorn och den modellerade. Ångans och avgasernas temperatur samt tryckfallet över ångpannan är huvudparametrar som har jämförts med de verkliga mätningarna. Testkörningen är baserad på ESC-cykeln, European Stationary Cycle, som innehåller tolv lastpunkter och en tomgångspunkt. Jämförelser mellan den kompletta modellen och de faktiska provkörningarna visade följande: i det bästa fallet avviker ångans temperatur ~5% motsvarande 10°C. För det sämsta fallet är temperatur skillnaden ~20%, ca 40°C, övriga lastpunkter visar en felmarginal mellan 5-10% motsvarande 10-35°C. Tryckfallet över ångpannan visar en större felmarginal, vilket beror på mätningar under testkörningar där vissa filter var igen satta, därav uppmättes tryckfallet i vissa fall upp till 20 bar. I bästa fallet skiljer det ~1 % mellan simulering och verklighet, vilket är nästan identiskt, medan det i det sämsta falletskiljer uppemot 70 % som motsvarar 10 bar, övriga lastpunkter ligger i intervallet 10-15 % felmarginal, motsvarande 1-4 bar.Två tubs modellen beter sig som den kompletta modellen; avvikelsen mellan dessa modeller är 1-5% ~5-15°C i de flesta fallen, där skillnaden för det mesta liknar mätningarna. Värmeöverföringen, Reynolds tal, ångans effekt studeras i tvåtubs modellen. Analys av modellen visar att ~40-55 % av värmeöverföringen sker i fasomvandlingen, vilket var förvånande mycket och Reynolds tal ökar med ~450 % i denna region, från 1500 till ~6500, vilket tyder på en flödesövergångs fas. Ångans effekt varierar mellan 5-23 kW beroende på lastpunkt.Den slutliga modellen ger tillfredställande resultat och anses vara tillräckligt bra för vidare analys.