• Aucun résultat trouvé

Design optimization of Rankine cycle systems for waste heat recovery from passenger car engines

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Partager "Design optimization of Rankine cycle systems for waste heat recovery from passenger car engines"

Copied!
28
0
0

Texte intégral

(1)

DESIGN  ΟPTIMIZATION  OF  RANKINE  

CYCLE  SYSTEMS  FOR  WASTE  HEAT  

RECOVERY  FROM  PASSENGER  CAR  

ENGINES  

 

INTERNATIONAL  FORUM  AUTOMOTIVE  THERMAL  

MANAGEMENT  2017

 

7-­‐8  February  2017,  Michigan,  USA  

 

(2)

IntroducRon  

Context

 

0 50 100 150 200 250 2005 2010 2015 2020 2025 2030 CO2  em ission (g/k m )

Europe USA China Japan Mexico Brasil

o  Worldwide  regulaRons  enforce  to   decrease  the  CO2  emissions  of   passenger  cars  

o  Increasing  the  efficiency  of  ICE  is  one   of  the  mid-­‐term  strategies  

o  TransportaRon  represents  a   significant  part  of  world  energy   consumpRon  and  CO2  emissions.  

(3)

IntroducRon  

Context

 

o  Almost  2/3  of  fuel  energy  is  lost  in  

exhaust  heat  and  engine  cooling  circuit   o  Waste  heat  sources  differ  by  the  amount  

and  quality  of  energy  available.   o  There  exists  different  techniques  of  

waste  heat  recovery  

Ø  To  produce  power  

Ø  To  produce  cooling  effect  

Ø  To  produce  heaRng  effect  

(4)

Content  of  the  presenta,on

 

1.  IntroducRon  

2.  Comparison  of  waste  heat  recovery  techniques  for  

passenger  cars  

3.  Design  of  a  scroll  expander  

4.  Tests  on  a  prototype  of  components  

5.  Conclusions  and  perspecRves  

(5)

WASTE  HEAT  RECOVERY  TECHNIQUES  

Comparison  based  on  li<erature

 

0   1   2   3   4   5   MECHANICAL  

 TURBOCOMPOUND  TURBOCOMPOUND  ELECTRICAL     RANKINE  CYCLE   THERMOELECTRIC   THERMOACOUSTIC   JOULE  CYCLE   STIRLING  CYCLE   THERMOPHOTOVOLTAIC  

Efficiency   Costs   Maturity   Packaging  

Source:  Legros  et  al.,  2015  

o  Focus  on  power  producSon  (other  technologies  available  for  cooling:  ejector,  sorpRon)     o  Turbocompounding  and  Rankine  cycle  are  the  most  promising  technologies  

(6)

WASTE  HEAT  RECOVERY  TECHNIQUES  

Comparison  based  on  simula,on  –  Rankine  cycle  model

 

o  3-­‐zone  evaporator  model  

o  Models  calibrated  based  on  experimental  data  

(7)

WASTE  HEAT  RECOVERY  TECHNIQUES  

Comparison  based  on  simula,on  –  TEG  and  TC  models

 

o  Thermal  resistances  network  

o  TEG  efficiency  funcRon  of  the  figure  of  merit  ZT.  

! = 1 + !" − 1

1 + !" + !!!"#$

!!"

!!!" − !!"#$ !!!"

o  Regression  model  for  the  turbine  efficiency  and  displaced  mass  flow  rate   o  Model  parameters  idenRfied  based  on  a  turbocharger  turbine  

(8)

WASTE  HEAT  RECOVERY  TECHNIQUES  

Comparison  based  on  simula,on

 

o  WHR  systems  models  are  connected  to  a  vehicle  model   o  AddiRonal  weight  is  taken  into  account  

o  Back-­‐pressure  not  considered  

(9)

WASTE  HEAT  RECOVERY  TECHNIQUES  

Comparison  based  on  simula,on

 

o  Turbocompound  yields  the  best   results  if  engine  back-­‐pressure   not  taken  into  account  

o  Introducing  a  limit  on  the  back-­‐ pressure  sharply  decreases  the   turbocompound  power.  

Average  electrical  power  [W]  

Av er ag e   el ec tr ic al   pow er  [W ]  

(10)

WASTE  HEAT  RECOVERY  TECHNIQUES  

Comparison  based  on  simula,on

 

o  TC:  largest  power,  less  frequent   Rme  of  use  (mainly  accelaraRon   phases),  highly  sensiRve  to  mass   flow  rate  

o  RC  more  omen  used  (except  during   start  up),  mid  power  

o  TEG:  lower  power,  almost  awlways   used,  less  sensiRve  to  mass  flow   rate.   0   20   40   60   80   100   120   140   0   0,1   0,2   0,3   0,4   0,5   0,6   0,7   0,8   0,9   1   0   200   400   600   800   1000   1200   Sp ee d   [km /h ]   Po w er  [%   of  m ax  v al ue ]   Time  [s]  

Turbocompound   Rankine   TEG   Vehicle  speed  

o  Turbocompound  yields  the  largest  BSFC   reducRon  if  engine  back-­‐pressure  not   taken  into  account  

o  RC  shows  less  back  pressure  (depending   on  the  evaporator  hydraulic  performance)   =>  good  compromise.   0   1   2   3   4   5   6   NEDC   WLTC5   Re du cS on  o f  b sf c   [%]   Turbocharged  engine  

(11)

Content  of  the  presenta,on

 

1.  IntroducRon  

2.  Comparison  of  waste  heat  recovery  techniques  for  

passenger  cars  

3.  Design  of  a  scroll  expander  for  a  Rankine  cycle  system  

4.  Tests  on  prototype  of  components  

5.  Conclusions  and  perspecRves  

(12)

DESIGN  OF  A  SCROLL  EXPANDER  

(13)

DESIGN  OF  A  SCROLL  EXPANDER  

Choice  of  expansion  technology

 

o  Previous  works  stressed  the  advantage  of  scroll  machines  (design  simplicity,  reliability,   promising  performance,  etc.)  and  water  or  ethanol  (or  a  mixture)  as  working  fluid.  

o  However,  no  commercial  high  temperature  scroll  expander  designed  for  such  an   applicaRon  is  available  on  the  market.  

o  LubricaSng  oil  may  be  a  major  issue  in  ORC  systems,  especially  in  steam  Rankine  cycle   (high  operaRng  temperatures,  oil  separaRon  require  bulky  apparatus  not  compaRble  with   mobile  applicaRons).  

(14)

DESIGN  OF  A  SCROLL  EXPANDER  

Which  nominal  point?

 

o  First  step  of  the  design  is  the  sizing.  

o  The  World  Harmonized  Light  Vehicles  Test  Cycle  (WLTC)  was  applied  to  a  120  kW   gasoline  engine.  

o  FrequenRal  distribuRon  of  power  available  in  exhaust  gases  indicates  that  most  of  the   Rme,  the  engine  power  in  located  in  the  first  class  (0-­‐17).  

o  However,  operaRng  condiRons  are  highly  transient.  

0 20 40 60 80 100 0 - 17 17 - 33 33 - 50 50 - 67 67 - 84 F re que nt ia l di st ri but ion [%]

Exhaust gas available power [kW]

No  nominal  point  can  be  easily  defined  and  an  opRmizaRon  of  the  scroll   characterisRcs  (mainly,  the  displacement)  has  to  be  conducted.    

(15)

DESIGN  OF  A  SCROLL  EXPANDER  

Characteris,cs  of  the  expander

 

o   Volume  RaSo  

W1  

W2  

V   P  

(16)

DESIGN  OF  A  SCROLL  EXPANDER  

Characteris,cs  of  the  expander

 

o  Displacement  is  opRmized  based  on  quasi-­‐staRc  simulaRon  of  the  Rankine  Cycle  system   (including  a  grey-­‐box  expander  model)  over  the  driving  cycle.  

o  The  rotaRonal  speed  is  a  funcRon  of  the  displacement  and  evaporaRng  pressure  

§  Low  displacements  or  low  pressures  will  yield  high  speed  and  the  laqer  is  constrained  

§  Large  displacements  or  high  pressures  will  yield  low  speed  and  a  larger  impact  of  

(17)

DESIGN  OF  A  SCROLL  EXPANDER  

Characteris,cs  of  the  expander

 

There  exists  an  opRmal  displacement  maximizing  the  average  power   produced  by  the  Rankine  cycle  system  over  the  driving  cycle.    

Av er ag e   m ec han ic al   pow er  [W ]  

(18)

DESIGN  OF  A  SCROLL  EXPANDER  

Defining  the  geometry

 

o  A  detailed  scroll  simulaRon  model  is  used  to   define  the  exact  geometry  of  the  expander.   o  SucRon  port  cross-­‐secRonal  area  has  been  

maximized  by  enlarging  the  clearance  volume   (which  is  not  a  drawback  in  expander  mode)   o  Oil-­‐free  concept  was  selected:  involute  in  coated  

aluminum  and  Rp  seals  in  self-­‐lubricaRng   material.  

(19)

Content  of  the  presenta,on

 

1.  IntroducRon  

2.  Comparison  of  waste  heat  recovery  techniques  for  

passenger  cars  

3.  Design  of  a  scroll  expander    

4.  Tests  on  prototypes  of  components    

(20)

TESTS  ON  PROTOTYPES  

Descrip,on  of  the  test  rig

 

InternaRonal  Forum  AutomoRve  Thermal   Management  2017  

o  Open-­‐loop  steam  Rankine  cycle   o  Connected  to  a  gasoline  engine   o  Produced  electricity  dissipated  

(21)

TESTS  ON  PROTOTYPES  

Evaporator

 

o  Two  heat  exchangers  configuraRons  tested:  counter-­‐current  and  hybrid  current  

 

o  Performance  expressed  in  terms  of  efficiency  and  pressure  drops.  

o  Evaporator  efficiency:  raRo  between  the  actual  and  maximal  heat  transfer  rates  

 

 

Type  of  evaporator Counter  Current  (CC) Hybrid  Current  (HC)

Mass  [kg] x 1.77.x

Volume  [dm3] y 0.83.y

Water  exchange  area  

(22)

TESTS  ON  PROTOTYPES  

Evaporator

 

• 

Large  efficiencies  

• 

Low  pressure  drop  on  the  gas  side  

• 

Higher  pressure  drop  on  the  water  

side  (especially  the  CC)  

 

(23)

TESTS  ON  PROTOTYPES  

Pump

 

o  Gear  pump  

o  Performance  expressed  in  terms  of   isentropic  and  volumetric  efficiencies     o  Maximum  isentropic  efficiency  =  45%  

o  Maximum  volumetric  efficiency  =  90%  

Parameter   Value  

Swept  volume   0.5  cm3  

Max.  pressure   20  bar  

Max.  mass  flow  (3000  RPM)   20  g/s  

(24)

TESTS  ON  PROTOTYPES  

Expander

 

o  Taylor  made  expander  presented  previously.  

o  Two  generaRons  of  expanders  have  been  built:  V1  and  V2  (20%  reduced  

scroll  lateral  clearance).  

 

 

Parameter   Value  

Swept  volume   8  cm3  

Max.  rotaRonal  speed   15  000  RPM  

Max.  temperature   250°C  

Pressure   Up  to  20  bars  

(25)

TESTS  ON  PROTOTYPES  

Expander

 

o  Performance  expressed  in  terms  of  isentropic  efficiency  and  filling  factor.   o  Max  isentropic  efficiency  of  28%  is  achieved.  

   

(26)

TESTS  ON  PROTOTYPES  

Overall  performance

 

 

  Pump   65  W   Efficiency=  35%   Evaporator   15000  W   Efficiency=5.9%   Net  power  =  885  W   >  600W   Expander   950  W   Efficiency=  25%  

(27)

Conclusions  and  perspecRves

 

²  A  model-­‐based  comparison  of  different  waste  heat  recovery  techniques  has  been  

conducted,  highlighRng  the  Rankine  cycle  system.  

²  A  high  temp.  oil-­‐free  scroll  expander  has  been  designed,  prototyped  and  tested.  

There  is  a  large  potenRal  of  performance  improvement.  

²  A  pump  and  2  evaporators  have  also  been  tested  showing  good  performance.  

²  A  reducRon  of  BSFC  of  5%  on  a  NEDC  is  achievable.  

 

²  PerspecRves:  

o  Tests  with  ethanol  or  with  a  mixture  of  water/ethanol  will  be  conducted.   o  Test  with  oil  will  be  conducted.  

(28)

Thank  you  for  your  aqenRon!  

   

Vincent.lemort@ulg.ac.be  

Références

Documents relatifs

To ensure easy and efficient processing of those files, lightr also provides three high-levels functions that can recursively find files and process them with a parallelized loop

In short, the phenotypic, biochemical and genomic analyses carried out on the strains Marseille-P4126 and Marseille-P4593 were consistent in confirming the novelty of these species.

Aussi, puisque ce type de programme est construit à partir des plaintes des citoyens, les interventions visant le contrôle de la vermine ne commencent que lorsque les populations

We quantified chemoautotrophic and anoxygenic photosynthetic microbial production in the water col- umn of Lake Kivu, a permanently stratified tropical lake situated amidst

Il a pour vocation plus large de partager l’expérience du Bénin avec les pays et les partenaires qui souhaiteraient passer d’un programme de FBR appuyé par les donateurs à

De plus, l’état bucco-dentaire des schizophrènes a été décrit comme inférieur à la population générale : aussi bien au niveau du nombre de dents traitées, cariées ou

L’entretien prénatal précoce ou entretien du quatrième mois cité pour la première fois dans le plan de périnatalité 2005-2007 du Ministère de la Santé est la première mesure à

Définition de la stratégie, et pourquoi l’utiliser : L’enseignant définit la stratégie aux élèves : il faut repérer les connecteurs, c’est-à- dire les mots qui