Modellierung und experimentelle Untersuchung der thermischen Abluftentfeuchtung multifunktionaler Brennstoffzellensysteme

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-31001
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Thermodynamik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Prof. Dr.-Ing. Stephan Kabelac
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 23.02.2015
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Gas-Dampf-Gemisch , Kondensation , Simscape
Freie Schlagwörter (Deutsch): Entfeuchtung , feuchte Luft , Brennstoffzellensystem , PEM
Freie Schlagwörter (Englisch): dehumidification , moist air , gas-steam-mixture , fuel cell system , PEM, condensation , Simscape
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer integralen Methode zur Berechnung von Entfeuchtungsprozessen von feuchter Luft durch Kühlung sowie die Validierung mit Versuchsergebnissen. Die modellbasierte Entwicklung auf Basis der physikalischen Modellierung eines multifunktionalen Brennstoffzellensystems für Passagierflugzeuge erfordert eine solche Methode. Die Entfeuchtung der Brennstoffzellenabluft ist von besonderem Interesse, da diese sauerstoffabgereicherte Luft wenigWasser enthalten darf, damit sie zum einen zur Inertisierung der Brennstofftanks eingesetzt werden und zum anderen ein möglichst großer Anteil des kondensierten Wassers dem Wassersystem des Flugzeugs in flüssiger Form zugeführt werden kann. Mit einem Zellenmodell konnte das thermische Verhalten von Wärmeübertragern mit Kreuzgegen-stromführungen unter Berücksichtigung der Änderung der scheinbaren spezifischen Wärmekapazität der feuchten Luft aufgrund der Kondensation des Wasserdampfanteils mit bis zu vier Durchgängen des Kühlmittels analysiert werden. Diese Ergebnisse dienten der Erstellung von Korrelationen zur Berechnung eines Korrekturfaktors zur Bestimmung der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz unter Entfeuchtungsbedingungen. Zudem wurde ein Versuchsstand in Betrieb genommen, der die Konditionierung der Umgebungsluft hinsichtlich der Wasserbeladung, der Temperatur und des Drucks entsprechend der Abluft eines Brennstoffzellensystems ermöglicht. Diese feuchte Luft wurde einem Rohrrippenwärmeübertrager zugeführt, so dass durch Kühlung ein Teil des gasförmigen Wassers kondensiert, abgeschieden und gesammelt werden kann. Die Validierung mit unterschiedlichen Korrelationen und Parametereinstellungen für die erstellten Modelle erfolgte mit eigenen Versuchsergebnissen und mit Literaturdaten. Die Verwendung dieser Literaturdaten in Verbindung mit der aus ihnen entwickelten Wärmeübergangskorrelation führt erwartungsgemäß zu den geringsten mittleren Abweichungen von 5% des übertragenen Wärmestroms unter Entfeuchtungsbedingungen. Durch die Anwendung einer Korrelation, die für trockene Oberflächen vorgesehen ist, können die Messwerte im Mittel mit einer Abweichung von 17% wiedergeben werden. Diese Abweichung kann durch die Berücksichtigung einiger Effekte bei der Kondensatfilmbildung auf 10% verringert werden. Die Validierung mit eigenen Messwerten, die sich durch eine vergleichsweise hohe Wasserbeladung auszeichnen, erfordert die Verwendung von Korrelationen für benetzte Oberflächen und die Berücksichtigung der Kondensatfilmeffekte, um eine mittlere Abweichung von 10% zu erreichen. Ferner konnte eine automatisierte Auslegungsmethode für Rohrrippenwärmeübertrager entwickelt und in die Modellbildung implementiert werden. Dadurch wird eine automatisierte Auslegung, Bewertung und damit übergeordnete Optimierung von multifunktionalen Brennstoffzellensystemen ermöglicht.

Kurzfassung auf Englisch:

The aim of the research is the development of an integral methodology to analyse dehumidification processes of moist air due to cooling as well as the validation. The model-based development of a multifunctional fuel cell system for a passenger aircraft, based on physical modelling, requires such a methodology. The dehumidification of the fuel cell exhaust air is of particular interest for two reasons. The first being the oxygen depleted air should hold a low water content to be used for the purpose of inerting the fuel tank and the second being the liquid water is required to supply the onboard water system. Heat exchangers with cross-counterflow flow regimes of moist air with up to four passes of the coolant could be analysed with a cell model. This model takes into account the variation of the apparent specific heat capacity of moist air due to condensation of the gaseous water. Correlations have been developed to determine a correction factor for the logarithmic mean temperature difference under dehumidifying conditions. Furthermore an experimental apparatus was commissioned for conditioning the water ratio, the temperature and the pressure of ambient air respectively to the exhaust air of a fuel cell. This moist air was fed to a plain fin-and-tube heat exchanger. Partial condensation of the gaseous water occurs due to cooling. The liquid water was separated and collected. The experimental data and further published data have been used for model validation using different correlations and parameter settings. The usage of published data for heat transfer under dehumidifying conditions and a correlation which is based on this specific data results to very little mean deviations of 5% as expected. The application of a correlation for dry surfaces leads to a deviation of 17%. It can be reduced to 10% if condensate film effects are taken into account. Comparisons to experimental data with comparatively high water ratios result to a mean deviation of 10% if a heat transfer correlation for wet surface is applied and condensate film effects are taken into account. Moreover an automated design method has been developed for plain fin-and-tube heat exchangers. It has been implemented into the modelling process. Thus an automated design, evaluation and optimisation for a multifunctional fuel cell system becomes a reality.

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