Desarrollo de una metodología CFD en sistemas de intercambio térmico con cambio de fase. Aplicación a un sistema WHRS para automoción.

Abstract

Los sistemas de recuperación de calor (WHRS) mediante un ciclo orgánico de Rankine (ORC) es un enfoque prometedor para lograr una considerable reducción en el consumo de fuel y, por tanto, en las emisiones de gases de escape. Este enfoque ya ha sido satisfactoriamente implementado en aplicaciones tales como plantas industriales y sistemas de propulsión de barcos. Mientras que los WHRS existentes han sido diseñados para trabajar principalmente en régimen estacionario, la aplicabilidad de este sistema en vehículos de pasajeros con condiciones de operación transitorias es todavía una incógnita, por lo que simular mediante CFD el comportamiento de los intercambiadores de calor presentes en este ciclo de Rankine se hace fundamental para predecir el rendimiento del sistema. Es conocido que los modelos multifásicos presentes en softwares comerciales de CFD ni son robustos ni ofrecen predicciones precisas para todos los rangos de operación, por lo que existe una limitación a la hora de simular la física del cambio de fase del evaporador del ciclo de Rankine. Para solventar esta limitación, en esta tesis doctoral se propone y desarrolla un modelo de transmisión de calor para su aplicación en software comercial CFD mediante un acoplamiento 1D – 3D, empleando correlaciones presentes en la literatura, de forma que puedan ser conocidos parámetros de diseño tales como pérdida de carga, eficiencia energética, punto de comienzo y final de evaporación, etc.

Os sistemas de recuperación de calor (WHRS) mediante un ciclo orgánico de Rankine (ORC) é un enfoque prometedor para obter unha considerable redución no consumo de fuel e, por tanto, nas emisións de gases de escape. Este enfoque xa foi satisfactoriamente utilizado en aplicacións tales como plantas industriais e sistemas de propulsión de barcos. Mentres que os WHRS existentes foron deseñados para traballar principalmente en réxime estacionario, a aplicabilidade deste sistema en vehículos de pasaxeiros con condicións de operación altamente estacionarias é aínda unha incógnita, polo que simular mediante CFD o comportamento dos intercambiadores de calor presentes neste ciclo de Rankine faise fundamental para predicir o rendemento do sistema. É coñecido que os modelos multifásicos presentes en softwares comerciais de CFD nin son robustos nin ofrecen predicións precisas para tódolos los rangos de operación, polo que existe una limitación á hora de simular a física do cambio de fase do evaporador do ciclo de Rankine. Polo tanto, o obxectivo desta tese doutoral é desenrolar un modelo de transmisión de calor para a súa aplicación en software comercial CFD mediante un acoplamento 1D – 3D, utilizando tanto correlacións presentes na literatura, de forma que poidan ser coñecidos parámetros de deseño tales como pérdida de carga, eficiencia enerxética, punto de comezo e final da evaporación, etc.

Waste Heat Recovery Systems (WHRS) by means of an Organic Rankine Cycle (ORC) is a promising approach for recovering energy from heat sources, achieving significant reductions in fuel consumption in diesel engines and, as a result, exhaust emissions. This technology has been widely implemented in industrial applications such as gas and steam power plants or ship propulsion systems. WHRS are mainly designed for stationary operation, but the applicability in highly dynamic operating conditions existing in passenger car engines still needs further study. In order to understand and analyse the behaviour of the system, Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation in the heat exchangers of the Rankine Cycle acquire great importance. This study is focused on the modelling and simulation of a boiler present in an ORC. It is known that multiphase codes existing in commercial CFD software are not suitable nor numerically stable for the simulation of complex components in every operating conditions. Taking into account this lack of calculating tools existing in multiphase environments, this paper presents an implementation of a heat transfer model in a computational fluid dynamics (CFD) commercial software by coupling a 1-dimensional heat transfer model based in empirical correlations of the literature, and the 3-dimensional solution given by CFD. This approach allows the prediction of relevant design parameters such as pressure drop, energy efficiency, beginning and ending of evaporation, etc.