Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Waste Heat Recovery Modellering
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Machine Design (Dept.), Internal Combustion Engines.
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Machine Design (Dept.), Internal Combustion Engines.
2011 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [sv]

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.

Abstract [en]

AbstractIn a previous project, made in the spring of 2010, a steam generator was modelled and simulated in GT-SUITE, in order to analyze and compare with engine measurements. This was made at the Royal Institute of Technology in Stockholm, on behalf of the company that introduced this idea, Ranotor. The concept was to replace the EGR-cooler in a heavy duty engine and with help of the Rankine cycle, try to improve its efficiency. The steam generator consists of 48 micro tubes, all containing high pressured water, which in turn is heated by the warm exhausts that are led into the steam generator. This causes the water in the tubes to evaporate which propels an expander that will unload the engine.The main focus of this thesis is to model, study and analyze the performance of the steam generator built in the simulation program GT-SUITE. The steam generator, called Heat Recovery Steam Generator (HRSG), is modelled from scratch with the specifications of the manufacturer. An elementary model was initially made to highlight the behaviour of the flow inside the micro tubes and what parameters affect the outcome of the simulations. Finally a complete identical model was made of the actual steam generator. The model was used in an ESC-cycle and also for a transient cycle, where all the input data is gathered on engine measurements of the actual HRSG, mounted on a DS1301, 6-cylinder 12 litre Scania diesel engine. In order to improve the simulation of the complete model a downsized model, only containing two tubes, was made. This model has the same dimensions and properties as the complete model but the advantage of this double-tube model is the shortened simulation time.The inlet parameters to the model such as water mass flow, steam pressure, exhaust mass flow and exhaust temperature were taken from actual engine measurements. All the parameters vary due to time; this makes a comparison possible between the real steam generator and the modelled one. Steam temperature, exhaust temperature and pressure drop along the HRSG are the main parameters from the simulations that are compared to the actual measurements. The engine measurements are made based on the ESC-cycle, European Stationary Cycle, which contains twelve load points and one idle point.

During comparison between the complete model and the engine measurements following is observed, in the best case the steam temperature differs ~ 5 %, equalling 10°C. In the worst case the temperature difference is ~20 %, which is approximately 40°C, the rest of the load points shows a margin of error between 5-10 % equalling 10-35 °C. Pressure drop along the HRSG is less accurate;this is due to an error during the measurement where some filters where clogged. Disparity in pressure drop is ~1% in best case, which is almost identical and ~70% in worst case, corresponding to approximately 10 bar, where rest of the load points shows a margin of error between 10-15% equalling 1-4 bar.The double-tube model behaves like the complete model; the difference between the models is 1-5 % in most cases ~5-15°C, where the difference is mostly closer to the measurements. Heat transfer, Reynolds number and steam power are taken and studied from the double tube model. Analyses of the models reviles that ~40-55 % of the heat transfer is in the transition phase, which is surprisingly much and Reynolds number increases by ~450% in the same region, from 1500 to ~6500 which indicates a flow transition phase. Steam power varies between 5-23 kW depending on load point.The final model shows satisfying result and therefore assumed to be good enough for further analyse.

Place, publisher, year, edition, pages
2011. , 87 p.
Series
MMK 2011:20 MFM 139
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-39923OAI: oai:DiVA.org:kth-39923DiVA: diva2:440600
Uppsok
Technology
Supervisors
Examiners
Available from: 2011-11-28 Created: 2011-09-13 Last updated: 2011-11-28Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(6431 kB)2330 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 6431 kBChecksum SHA-512
a047cd7e25902849ceccefa4abe6bc214c6a74899deaef9763bb5cccfa35e8542393b3f6cb78423247382f53413e7f3b93113d8c600b4f67468ea24236331abd
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Internal Combustion Engines
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 2330 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 576 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf