Onderzoek naar procesverbetering van de Closed Cycle Dieselmotor + Bijlagen

(1)

ral ft

)7.0 -4,"

_

Onderzoek naarprocesverbeteringen vain de

Closed Cycle Dieselmotor

RAPPORT OvS 96/12 december 1997 S.J.J. (Daniels, etralik, 406 . .4!" ,

--,

Iire.6/Ai

VoLic.

<141"...''.:1 .10". e'

,

77-37: -

-Li el .e,sh :78-..,"--"Ampoition

CC

-

,

WC/ e."-. " "

_

(0;e.

-fle Coe:, "'" 000"4;

so'

TU Delft

Faculteit der Werktuigbouwkunde en Maritieme Techniek

(2)

VOORWOORD

Dit verslag is geschreven in het kader van mijn afstudeeropdracht voor werktuigbouwkundig ingenieur van de vakgroep Werktuigkundige Installaties aan de Technische Universiteit Delft (TUD).

De opdracht komt voort uit het onderzoek naar buitenlucht-onafhankelijke voortstuwing

(BOV; Air Independent Propulsion, AIP) dat momenteel wordt gedaan bij RDM Submarines (RDMS) en de Koninklijke Marine (KM). RDMS heeft op haar terrein in Rotterdam een AIP-proefstand gebouwd met een Closed Cycle Diesel Engine (CCD, CODE).

Het afstudeerwerk is een vervolg op het vierdejaars- en afstudeerwerk van M.G.J.

Schasfoort (rapporten OEMO 92.05 en 92.14), waarin een simulatiemodel van de gascyclus van een Closed Cycle Dieselmotor is opgezet. Het CCD-systeem omvat twee cycli, te weten

de gascyclus en de watercyclus. In de gascyclus, die wordt gesimuleerd, bevindt zich de

dieselmotor en het systeem am de uitlaatgassen

te

'wassen', zodat de gassen op

inlaatconditie worden gebracht. De watercyclus verzorgt een continue massastroom

zeewater, nodig voor het wassen van de uitlaatgassen, en maakt het hele systeem

diepte-onafhankelijk. Dit is vereist omdat de onderzeeboot op elke diepte gebruik moet kunnen

maken van de CODE. De watercyclus wordt niet meegenomen in het simulatiemodel, omdat

kan worden aangenomen dat deze de gascyclus van een continue massastroom water voorziet.

De opdracht is in twee delen op te splitsen, namelijk een eerste deel dat de problemen beschrijft die zich voor hebben gedaan bij het overeen laten komen van de resultaten van het

_{simulatiemodel met de meetgegevens van de proefstand aan de hand van}

parametervariaties (matchen). Het tweede deel van de opdracht bestaat uit het onderzoek naar mogelijkheden om het vermogen te vergroten en het totale rendement te verbeteren. Het afstudeerwerk is in eerste instantie uitgevoerd op de SUN-computers van de vakgroep Maritieme Techniek en vervolgens op een PC bij de sectie Voortstuwingstechnologie (SVT) op de afdeling Maritieme Techniek (MARTECH) van de DMKM van de Koninklijke Marine.

Op beide computers is gewerkt met het computerprogramma MATRIXx met Systembuild.

Het verkrijgen van meetgegevens en extra inzicht in de CCD-installatie is gedaan bij RDMS.

Op deze pleats wil ik een aantal personen graag hartelijk danken voor hun sturing

en

begeleiding tijdens

mijn afstuderen. Deze dank gaat allereerst uit naar mijn directe

begeleiders, te weten KLTZ ir. G.H. Ensing (KM), ir. J.S. Bonnier (RDMS) en ir. J.D. Wilgenhof (TUD). Daarnaast wil ik ir. H.T. Grimmelius (TUD) hartelijk danken voor zijn grate

hulp bij de omzetting van het model naar de nieuwe versie van MATRIXx, zijn verdere

assistentie bij het gebruik van MATRIXx en zijn goede adviezen betreffende de aanpakvan

een aantal problemen. Mijn dank gaat oak uit naar de gehele sectie

Voortstuwings-technologie van de Koninklijke Marine, voor de plezierige werkomgeving en de

beantwoording van vragen, en in bet bijzonder naar ing. 0. van Lent en ir. J. de Wilde voor hun hulp bij het gebruik van de computers op hun kamer op de TU Delft.

S.J.J. Daniels

Delft, december 1997

VOORWOORD

(3)

INHOUDSOPGAvE

INHOUDSOPGAVE

VOORWOORD

SAMENVATTING vi

LUST VAN SYMBOLEN viii

INLEIDING 1

BESCHRIJVING VAN HET CLOSED CYCLE DIESELSYSTEEM 2

2.1 WERKING VAN HET CLOSED CYCLE DIESELSYSTEEM 2

2.2 WERKING VAN HET SIMULATIEMODEL 6

AANPASSINGEN AAN HET CCD-SIMULATIEMODEL 8

3.1 PLAN VAN AANPAK 8

3.2 OPNIEUW VASTLEGGEN VAN ALLE MODELPARAMETERS 8

3.2.1 PARAMETER TAU 9

3.2.2 PARAMETER WRSTND_ABS 12

3.2.3 PARAMETER ETA_ZW 14

3.2.4 PARAMETER F_UITLWRST 15

3.2.5 PARAMETER A_EFF 16

3.2.6 PARAMETERS ALFAMOT, ALFAOPP EN ALFAOPINL 16

3.2.7 PARAMETER ETA_COMB 18

3.3 AANPASSINGEN AAN HET CCD-MODEL 20

3.3.1 AANPASSING VAN HET VAT VOOR DE SPRAYKOELING VAN DE

UITLAATGASSEN ₂₀

3.3.2 IMPLEMENTATIE GEREGELDE KLEP IN DE BYPASSLEIDING 21

3.3.3 VERANDERING VAN DE INVOERGROOTHEID VAN HET MODEL 22

3.3.4 AANPASSINGEN AAN HET VERBRANDINGSMODEL 26

MATCHEN VAN HET CCD-MODEL AAN HET CCD-SYSTEEM 28

4.1 KEUZE VAN DE MATCHSTRATEGIE ₂₈

4.2 VERGELIJKING VAN DE SIMuLATIERESuLTATEN VAN HET ONGEMATCHTE MODEL

MET DE MEETGEGEVENS ₂₉

4.2.1 VERGELIJKING MET DE MEETRESULTATEN VAN DE ENDURANCE TEST 30

4.2.2 VERGELIJKING MET DE MEETRESULTATEN VAN DE TEST MET

VERMOGENSVARIATIE ₃₁

4.3 MATCHEN VAN HET MODEL AAN DE MEETGEGEVENS VAN DE ENDURANCE TEST 31

4.3.1 VERLAGEN VAN HET DRUKNIVEAU ₃₂

4.3.2 MATCHEN VAN DE GASCONCENTRATIES ₃₅

4.3.3 MATCHEN VAN HET BRANDSTOF- EN ZUURSTOFVERBRUIK ₃₇

4.3.4 MATCHEN VAN DE DIESELMOTOR ₃₈

4.3.5 VERGELIJKEN VAN DE DRUKVALLEN OVER DE SYSTEEMCOMPONENTEN ₄₀

4.3.6 ONGEDAAN MAKEN VAN DE VERLAGING VAN PARAMETER LIMITAR ₄₁

4.3.7 VERGELIJKING VAN DE SIMULATIERESULTATEN NA HET MATCHEN MET DE

MEETGEGEVENS ₄₃

4.3.8 BESPREKING VAN DE MATCHRESULTATEN ₄₅

CONFIDENTIEEL

2.

3.

(4)

I NHOUDSOPGAVE

4.4 MATCHEN VAN NET AANGEPASTE MODEL AAN DE MEETGEGEVENS VAN DE

VARIATIE VAN NET GENERATORVERMOGEN 46

ONDERZOEK NAAR VERGROTING VAN HET VERMOGEN EN

RENDEMENTSVERBETERINGEN 47

5.1 OPHEFFING VAN DE KLEPOVERLAP 47

5.2 VERHOGING VAN DE PIEKDRUK 49

5.3 VERHOGING VAN DE GASTEMPERATUUR IN DE INLAATRECEIVER VAN DE

DIESELMOTOR ₅₂

5.4 VARIATIE VAN DE INGESTELDE GAMMAWAARDE (N_COMP_INS) 54

5.5 VARIATIE VAN DE CONCENTRATIE ZUURSTOF IN DE INLAATRECEIVER 56

5.6 VOLUMEVERGROTING VAN DE ABSORBER 56

5.7 RESULTAAT VAN EEN SIMULATIE MET MEERDERE AANPASSINGEN TEGELIJK ₅₉

CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN ₆₁

6.1 CONCLUSIES ₆₁

6.1.1 CONCLUSIES MET BETREKKING TOT HET MATCHPROCES 61

6.1.2 CONCLUSIES MET BETREKKING TOT DE HAALBARE

vERMOGENSVERGROTINGEN EN RENDEMENTSVERBETERINGEN 62

6.2 AANBEVELINGEN ₆₃

LITERATUURLIJST ₆₄

BIJLAGE A: AFSTUDEEROPDRACHT B1

BIJLAGE B: BEARGUMENTERING VOOR GEBRUIK MATRIXx IN PLAATS VAN MATLAB B3

BIJLAGE C: OPSTARTFILE _B4

BIJLAGE D: COMMANDFILE _B10

BIJLAGE E: MODELPARAMETERS _B13

BIJLAGE F: TABEL MET OVERZICHT VAN ALLE PARAMETERS _B35

BIJLAGE G: VERGELIJKING VAN DE ONGEMATCHTE SIMULATIERESULTATEN MET DE

MEETGEGEVENS VAN DE ENDURANCE TEST _B40

BIJLAGE H: VERGELIJKING VAN DE ONGEMATCHTE SIMULATIERESULTATEN MET DE

MEETGEGEVENS VAN DE TEST MET VERMOGENSVARIATIE _B43

BIJLAGE I: VERGELIJKING VAN DE GEMATCHTE SIMULATIERESULTATEN MET DE

MEETGEGEVENS VAN DE ENDURANCE TEST _B47

CONFIDENTIEEL

IV

(5)

INHOUDSOPGAVE

BIJLAGE J: VERGELIJKING VAN DE GEMATCHTE SIMULATIERESULTATEN MET DE

MEETGEGEVENS VAN DE TEST MET VERMOGENSVARIATIE _B50

BIJLAGE K: VERGELIJKING VAN SIMULATIES MET VERMOGENSVARIATIE VAN HET

GEMATCHTE MODEL EN HET MODEL ZONDER KLEPOVERLAP (PARAMETER B53

KLEPOPEN=01720)

BIJLAGE L: VERHOGING VAN DE GASTEMPERATUUR IN DE INLAATRECEIVER VAN DE

DIESELMOTOR _B55

BIJLAGE M: VARIATIE VAN DE INGESTELDE GAMMAWAARDE (N_COMP_INS) B57

BIJLAGE Nc INVLOED VAN GEWIJZIGDE INSTELLING VAN DE GEWENSTE

ZUURSTOFCONCENTRATIE OP DE REST VAN HET MODEL _B59

BIJLAGE 0: _{VOLUMEVERGROTING VANCE ABSORBER (PARAMETER INHABS)} _B61

CONFIDENTIEEL

(6)

SAM ENVATTING

Conventionele onderzeeboten moeten regelmatig snorkelen om de batterijen op te laden.

Om de detectiekans van conventionele onderzeeboten in het operatiegebied te verkleinen is het van belang dat de onderzeeboot langdurig onder water kan opereren. Daarom is bij RDM

Submarines by. (RDMS)

in

Rotterdam de Closed Cycle

Dieselmotor (COD-motor)

ontwikkeld, om een onderzeeboot onafhankelijk van de buitenlucht te kunnen voortstuwen.

In samenwerking met de Koninklijke Marine (KM) wordt de proefstand van dit systeem

verder ontwikkeld.

De proefstand bestaat uit een dieselgeneratorset gekoppeld aan een gasbehandelings-systeem (gascyclus) en een water management gasbehandelings-systeem (WMS). De koppeling tussen de gascyclus en het WMS is de absorber. In de gascyclus worden de uitlaatgassen van de

dieselmotor eerst gekoeld, waarna ze in de absorber worden `gewassen' met zeewater. Dit

houdt in dat een gedeelte van de koolstofdioxide uit het gas oplost in zeewater, zodat

verderop in de gascyclus zuurstof en argon kan worden toegevoegd om het gas weer op

inlaatconditie van de dieselmotor te brengen. De zuurstof bevindt zich in vloeibare vorm in

tanks, de argon wordt gasvormig uit flessen toegevoegd. Het met koolstofdioxide verrijkte

zeewater wordt overboord geloosd. De af- en aanvoer van zeewater wordt mogelijk gemaakt

door het WMS. Naast de aanvoer van een constante massastroom water maakt het WMS

het systeem diepte-onafhankelijk.

In 1992 heeft M.G.J. Schasfoort in het kader van zijn afstudeeropdracht een computer simulatiemodel van de gascyclus gemaakt. Van dit model kwamen echter alleen trends

overeen met de meetgegevens van de proefstand.

DOEL VAN HET ONDERZOEK:

Het uiteindelijke doel van dit rapport is verslag te doen van het onderzoek om met behulp van een verbeterd simulatiemodel de mogelijkheden vast te stellen tot verbetering van het

rendement van de COD-motor en vergroting van het vermogen. Om dit doel te bereiken zijn de volgende stappen doorlopen:

- verbeteren en updaten van het simulatiemodel; metingen uitvoeren op de proefstand;

het model laten overeenkomen met de meetgegevens van de proefstand aan de hand

van parametervariaties (matchen).

Rendementsverbeteringen en vergroting van het vermogen van de COD-motor moeten

leiden tot een extra verlenging van de onderwatertijd, hetgeen de effectiviteit

_{van de}

onderzeeboot vergroot.

CONCLUSIES:

Het matchproces heeft geleid tot een drietal conclusies:

alle door het model berekende resultaten liggen binnen een nauwkeurigheid van 6.5%

van de gemiddelde waarden van de beschikbare meetgegevens, uitgezonderd het

zuurstofverbruik, de concentratie koolstofdioxide in de inlaatreceiveren de drukval over

de absorber;

het simulatiemodel geeft alle trends bij variatie van het vermogen goed weer;

door een tekort aan meetgegevens kunnen een aantal uitgangssignalen van het model

niet worden gematcht: de druk in de uitlaatreceiver, de massastroom gas door het

systeem en de concentraties van de gascomponenten op verschillende plaatsen in het systeem. SAMENVATTING CON FIDENTIEEL _vi

(7)

-SAMEN VATTING

Uit het onderzoek naar rendementsverbeteringen en vermogensvergrotingen -Zijn viff

conclusies naar voren gekomen:

het opheffen van de iklepoverlap heeft in het huidige simulatiemodet niet de verwachte

rrendementsverbetering tot gevolg;

een verhoging van, de piekdruk in de dieselmotor door vergroting van de

compressie-verhouding levert rendementsverbeteringen op van ,ongeveer 5% op van het brandstof-en zuurstofverbruik;

in combinatie met een,verhoogde toegestane piekdruk levert een verhoogde instelling van de gewenste gammawaarde eon verlaging van het brandstof- en zuurstofverbruik op, bij, ongewijzigde compressieverhouding en instelling van het vermogen;

- volumevergroting van de absorber heeft eon verlaging van de drukken in de gascylcus tot, gevolg. Dit maakt het mogelijk dat de dieselmotor meer vermogen kan leveren zonder dat Olt leidt tot een overschrijding van de maximale piekdruk;

het model van het verbrandingsproces schiet to kort om eon uitspraak to kunnen doen

over het effect van eon verandering van de concentratie zuurstof, en een verhoging van de gastemperatuur in de inlaatreceiver van de dieselmotor.

AANBEVELINGEN::

Met betrekking 'tot 'het simulatiemodel wordt aanbevolen het model van het

verbrandings-proces uit to

breiden naar eon complexer krukhoekmodel. Zodoende kunnen meer

parametervariaties worden uitgevoerd om uiteindelijk het rendement van de motor to

vergroten.

'Voor de proefstand golden eon tweetall aanbevelingen:

, sensoren ijken;

- op moor plaatsen door he systeer rneetpunten voor druk- en, concentratiemetingen

,maken..

T'enslotte moet een verdere ontwikkeling, van de COD-motor leiden 'tot eon dieselmotor zowell in 'open' als 'closed cycle' kan werken. Door deze dubbele functie krijgt het systeem

door ruimtewinst een groot voordeel ten opzichte van concurrerende systemen voor

buitenlucht-onafhankelijke voortstuwing. Eon uitbreiding van het simulatiemodel moot de vermogens en rendementen van eon verder ontwikkelde CCD-motor zichtbaar kunnen maken.

bONFIDENTIEEL _vii

die

(8)

aabs aantcil alfamot alfaopp alfaoppinl alsmo2 Acq abs a_inl_klep Arnesh a_uitl_klep a_scav a_scav_gem_eff boring CI compratio condvat3ga dandrkstp delta_p_absrbr dampdruk dm_absorber dm_spoellucht dm_water_inj draadafstand

dl

d2 d3 d_inlwrst d_uitlwrst d_inl_klep d_uitl_klep eta_comb eta_gen eta_thd eta_zw fuel_loss

fl

f2 f3 f_inlwrst f_uitlwrst

LUST VAN SYMBOLEN

m2/m3 W/K W/K W/K kg rn` m2 m2 m2 kmol/m3 kmol/m3 -MS N/ m2 N/ m2 N/ m2 kg/s kg/s kg/s kg/s CONFIDENTIEEL _viii

LUST VAN SYMBOLEN

C-rhouding tussen het contactop ervlak en de meshinhoud van de absorber

Aantal cilinders

Warm teoverd rachtscoefficient tijdens het isobare verbrandingstraject

Warmteoverdrachtscoefficient vaten

Warmteoverdrachtscoefficient in- en uitlaatreceiver

Array, benodigd om door middel van interpolatie uit de massa toegevoerde massa zuurstof de ontstane drukstap in de cilinders te bepalen

Equivalent doorstromingsoppervlak van de absorber Interfaceoppervlak voor stoftransport

Oppervlakte inlaatpoort

Doorstroomoppervlak van de mesh Oppervlakte uitlaatpoort

Gereduceerd spoeloppervlak per cilinder

Gem iddelde effectieve waarde van het spoeloppervlak van de kleppen van een cilinder over de volledige cyclus

Cilinderdiameter

Concentratie te absorberen stof aan het contactoppervlak in de vloeistof

Bulkconcentratie van gas in de vloeistof Compressieverhouding

Snelheid van condensatie van zeewater Zie alsmo2

Maximaal toelaatbaar drukverschil over de absorber Zie watertemp

Massastroom gas door de absorber Massastroom spoellucht per cilinder

Massastroom water in vat voor spraykoeling

Afstand tussen twee draadjes in het gaaspakket in de stromingsrichting van het gas

Diameter piping van vat voor spraykoeling tot vat 2 Diameter piping van vat 2 naar vat 3

Diameter piping van vat 3 naar vat voor zuurstofinjectie Diameter inlaatreceiver

Diameter uitlaatreceiver Diameter van de inlaatpoort Diameter van de uitlaatpoort Verbrandingsrendement Generatorrendement

Thermodynamisch rendement Zwakveerrendement

Gem iddeld verschil tussen het werkelijke en het theoretische brandstofverbruik

Weerstandsfactor piping van vat voor spraykoeling tot vat 2 Weerstandsfactor piping van vat 2 naar vat 3

Weerstandsfactor piping van vat 3 naar vat voor zuurstofinjectie

Weerstandsfactor inlaat Weerstandsf actor uitlaat

(9)

LUST VAN SYMBOLEN

gainnblwd Vermenigvuldigingsfactor tussen de polytrope exponent NI expansie en bij blowdown

gainverdam Snelheid van verdamping van zeewater na het vat voor de

spraykoeling MS

holdup

-h0 Onderste verb randingswaarde dieselolie J/kg

h_i_eff Heat input efficiency

h max ,inl Maximale lifthoogte van de inlaatklep h_max_uitl Maximale lifthoogte van de uitlaatklep

igain_ar Integrale versterkingsfactor regelaar argoninjectie igain_byp Integrale versterkingsfactor regeling bypassklep igain_mfo Integrate versterkingsfactor regelaar brandstofinjectie igain_o2 Integrate versterkingsfactor regelaar zuurstofinjectie

inhabs Inhoud absorber m3

inst_dmar Instelling massastroom argon bij uitgeschakelde regeling kg/s i_inl Aantal inlaatkleppen per cilinder

i_uitl Aantal uitlaatkleppen per cilinder

k, _{Stofoverdrachtscoefficient in vloeistof} _m/s

klepopen Deel van de verbrandingscyclus waar klepoverlap optreedt

ksil Weerstandscoefficient vatl (= eerste separatorvat) ksi3 Weerstandscoefficient vat3 (= tweede separatorvat) ksi_inlwrst Weerstandscoefficient inlaat

ksi_uitlwrst Weerstandscoefficient uitlaat

dl

Lengte-diameterverhouding piping van vat voor spraykoeling tot vat 2

Id2 Lengte-diameterverhouding piping van vat 2 naar vat 3

Id3 Lengte-diameterverhouding piping van vat 3 naar vat voor zuurstofinjectie

Id_inlwrst Lengte-diameterverhouding Id uitlwrs Lengte-diameterverhouding

limiter Maximaal toe te voeren massastroom argon kg/s

mfo_c Massa brandstof per cilinder kg

mfo_s Totale massastroom brandstof naar de motor kg/s

MU Contraction factor

Motortoerental omw/s

NA Stoftransport _kmol/s

nc Exponent voor polytropische compressie ne Exponent voor polytropische expansie

n_blowd Polytropische expansiecoefficient bij blow down n_comp_ins Gewenste gammawaarde van het inlaatgas

o2_inst Instelling gewenst zuurstofpercentage aan de inlaat van de

motor

-pa_atm Array met de partible drukken van respectievelijk CO2, 02, Ar

en N2 IN/ M2

pgain_ar _{Proportionele versterkingsfactor regelaar argoninjectie} -pgain_byp Proportionele versterkingsfactor regeling bypassklep

-pgain_mfo _{Proportionele versterkingsfactor regelaar brandstofinjectie} pgain_o2 Proportionele versterkingsfactor regelaar zuurstofinjectie phi _{Factor voor het in rekening brengen van het instroomverlies in}

de cilinders

-p4 Druk in punt 4 van het Seiligerproces IN/ m2

P5 Druk in punt 5 van het Seiligerproces NI m2

p_inl Druk in inlaatreceiver _{N/ m2}

p_uitl Druk in uitlaatreceiver _{N/ m2}

P_eng _{Motorvermogen}

CONFIDENTIEEL _ix

(10)

-LUST VAN SYMBOLENi

p frictie. Mechanische wrijvingsvediezen W

1P_gen _{Generatorvermogen, berekendl} _kW

P_genin

Generatorvermogen, gewenst kW

q_tot Totale warmtetoevoer per cilinder JI

q_verlies 'isob Warmteverlies tijdens het traject van de isobare verbranding

J

Q Volumestroom zeewater door de absorber imP/s

Q_engi Motorkoppel Nm.

[

Q_verbr Koppel verbrandingslus _Nm

Q_zw Koppell spoellus ii\jrn

reg Aan/uit-schakeling van de regelaar voor de argonihjectie

-Rin_uit

Gasconstante van de massastroom spoellucht, _J/kgK

S Slaglengte van de zuiger _m

sal

tau _{Karakteristieke contacttijd, tusseri verneveld zeewater en de}

uitlaatgassen in de absorber _'s

14 Temperatuur in punt 4 van 'het Seiligerproces _X

T5 Temperatuur in punt 5 van het Seiligerproces _1K T_abs_in Temperatuur van het zeewater in de absorber K

T_Ar Temperatuur toegevoerde argon _K

T_in_uit. _{Temperatuur van de massastroom spoellucht} _K

T_omg Omgevingstemperatuur _K

T_02 Temperatuur toegevoerde zuurstof K

T_uitdrif

Temperatuur van net gas na de uitlaatklep K

L11, gem Gemiddelde lineaire vloeistofsnelheid ten opzichte van de

mesh _m/s

Vabs Snelheid van het gas door de absorber _m/s

visc_water Zie watertemp_visc _Pas

voll Volume vat1I IMa

vol2 Volume vat2 _m3

vol3 Volume vat3 _rn3

vol4 Volume vat4 m3

vol_inlrec Volume inlaatreceiver _M3

vol_uitIr Volume uitlaatreceiver _m32

vol_verh_comp,, Volumeverhouding expansie

I

v4 _{Volume per cilinder in punt 4 van het Seiligerproces} _m3

1

V_Ci I jot Totaalvolume per cilinder _m3

v_comp iCompressievolume per cilinder _m3

v_slag Slagvolume per cilinder _m3

waterf low Volumestroom water door de absorber

Array met temperaturen, benodigd om door middel Van

-interpolatie uit de temperatuur de dampdruk te bepalen, _K. 1Watertemp_visc Array met temperaturen, benodigd om door middelvan

interpolatie uit de temperatuur de zeewaterviscositeit te

bepalen _X

wrstnd_abs 'Weerstandscoefficient over de absorber _1/m2

W12 Arbeid uit polytropische compressie

j

W34 Arbeid uit isobare verbranding ,j1

W45 _{Arbeid uit polytropische expansie} _J

W_verbr _{Arbeid ,uit Seiliger kringproces}

J

CON Fl DENTI EEL

Saliniteitspromillage

(11)

ieeweigh Dichtheid zeewater en gasconcentraties in zeewater van resp. CO2, 02, Ar en N2 NI 16 °C,

APabs DrukverschR over de absorber N/mZ

ltspael Drukverhouding tussen de in- en uitlaatreceiver ((=

drukverhouding van de receivers in het model) 4.?

Palm Dichtheid van het gas door de absorber kg/m3

abs, Weerstandscoefficient van de absorber

'LUST VAN SYMBOLENI

(12)

1.

iNLEIDING

Geavanceerde detectietechnologie vermindert tegenwoordig de effectiviteit van conventionele onderzeeboten die regelmatig moeten snorkelen am de batterijen op te laden.

Om de detectiekans in net operatiegebied te verkleinen wordt het steeds meer van belang dat een conventionele onderzeeboot langdurig onder water kan opereren. Daarom is een aantal landen bezig met de ontwikkeling van buitenlucht-onafhankelijke voort-stuwingssystemen (Air Independent Propulsion (AIP-) systems).

In het rapport van de

vierdejaarsopdracht (rapport OEMO 96.11) zijn de verschillende systemen voor buitenlucht-onafhankelijke voortstuwing beschreven en met elkaar vergeleken.

Een van deze systemen is de Closed Cycle Diesel Engine (CCD, CODE) die bij RDM

Submarines b.v.

in Rotterdam is ontwikkeld. De installatie, waarvan een proefstand is

gebouwd, bestaat uit een dieselgeneratorset gekoppeld aan een gasbehandelingssysteem. In 1992 heeft M.G.J. Schasfoort in het kader van zijn vierdejaars- en afstudeeropdracht een simulatiemodel van

de COD-motor geschreven

in het

programma MATRIXx met

Systembuild. De waarden van alle uitgangsvariabelen van dit model kwamen niet overeen

met de gemeten waarden van de proefstand. Dit leidde ertoe dat er met net model slechts

trends zichtbaar konden warden gemaakt.

Het uiteindelijke doel van mijn ingenieursopdracht (zie bijlage A) bestaat uit het doen van

onderzoek naar mogelijkheden am het vermogen te vergroten en het rendement te

verbeteren. Om dit do& te bereiken zijn de volgende stappen doorlopen: - het verbeteren en updaten van het model;

- een meetprogramma opstellen en metingen uitvoeren aan de proefstand; - het model matchen aan de meetgegevens van de proef stand.

Met behulp van het gematchte model word t het onderzoek naar mogelijkheden am het

vermogen van het systeem te vergroten en het rendement te verbeteren uitgevoerd.

In de oorspronkelijke ingenieursopdracht staat ook vermeld dat het model diende te warden omgezet naar het computerprogramma Matlab Simulink. Dit is na overleg echter niet gedaan

omdat dit veel langer zou duren dan gepland (zie bijlage B), Tevens zou door deze

omzetting het model onoverzichtelijk en daardoor slecht onderhoudbaar worden. De opbouw van het rapport is als volgt:

In hoofdstuk 2 wordt in het kort de werking van de COD-motor beschreven. Dit is gedaan am

als lezer inzicht in het systeem te krijgen zodat dit rapport los van andere rapporten kan

warden gelezen. Hoofdstuk 3 behandelt alle aanpassingen die aan het model zijn gedaan. Een aantal aanpassingen is het gevolg van veranderingen aan de proefstand na 1992, de

andere aanpassingen zijn verbeteringen ten opzichte van het oorspronkelijke model. In

hoof dstuk 4 komt het proces van het matchen van het model aan de meetgegevens van het

werkelijke systeem aan de orde. De onderzoeken naar mogelijke vergroting van het

vermogen en verbetering van het rendement warden in

hoofdstuk 5 beschreven. In

hoofdstuk 6 warden respectievelijk de conclusies en aanbevelingen gegeven.

1. INLEIDING

CONFIDENTIEEL

1

(13)

-2.

BESCHRIJVING VAN HET CLOSED CYCLE DIESELSYSTEEM

In 1985 is de Rotterdamsche Droogdok Maatschappij (RDM) begonnen met de ontwikkeling van een Closed Cycle Dieselsysteem met als doel de onderwatertijd van een conventionele onderzeeboot te vergroten, zonder gebruik te maken van buitenlucht. RDM heeft in die tijd

uit de verschillende systemen voor Al P (zie [Daniels, 1997]) gekozen voor een Closed Cycle Dieselsysteem. Redenen voor de RDM om de CCD te kiezen boven andere systemen voor AIP waren: veiligheid voor de bemanning; goede vermogensdichtheid; goede

schokbestendigheid; geluids- en trillingsniveau die binnen de gewenste normen moeten blijven en haalbaarheid

in een korte termijn. Het project werd in de eerste jaren

in

samenwerking met Thyssen Nordseewerke (TNSW) uit Emden. Duitsland opgezet. Beide

werven hebben een eerste test-faciliteit gebouwd. TNSW is gestopt met de verdere

ontwikkeling van de CCD na de overstep naar brandstofcellen voor AIR. RDM Submarines is echter doorgegaan met de ontwikkeling van de CCD en beschikt momenteel over een goed

werkende proefstand die een aantal verbeteringen heeft ondergaan ten opzichte van de

eerste test-faciliteit.

In paragraaf 2.1 zal eerst de werking van het systeem warden uitgelegd. Vervolgens zal in

paragraaf 2.2 in het

kort worden uitgelegd hoe het simulatiemodel werkt en wordt

aangestuurd.

2.1 WER KING VAN HET CLOSED CYCLE DIESELSYSTEEM

De opbouw van het CCD-syteem is schematisch weergegeven in figuur 2.1. In de figuur zijn de belangrijkste componenten van het systeem te zien, alsmede de twee systemen waarin de installatie kan warden opgesplitst: het gasrecyclingsysteem en het zeewatersysteem.

VLOEGARE VERDAMP ER -4- ZUURSTOF TANK ZEEWATER IN ARGON FUSSER BRANDSTOF MOTOR SPRAY KOELING GASCYCLUS -SV2 WATER UIT SEPARATORVAT 2 BYPASS SEPARATORVAT SV1 WATER UIT ZEEWATER

Figuur 2.1: Schematische opbouw CCD-systeem [Schasfoort, aug. 1992].

In het gasrecyclingsysteem vindt het proces pleats dat ervoor zorgt dat de uitlaatgassenvan de dieselmotor weer op inlaatconditie worden gebracht. De watercyclus zorgt voor de aan-en afvoer van zeewater, met minimale aan-energie, om de uitlaatgassaan-en te 'wassaan-en aan-en zorgt er tevens voor dat de COD-motor diepte-onafhankelijk kan werken.

Het gas, in de gascyclus van het systeem, doorloopt een kringproces. In de dieselmotor

CON Fl DE NTI EEL

2. BESCHRIJVING VAN HET CLOSED CYCLE DIESELSYSTEEM

BSORBER

WATER MANAGEMENT

SYSTEEM

- WATERCYCLUS ZEE WATER_UIT

(14)

2.1 WERKING VAN HET CLOSED CYCLE DIESELSYSTEEM

verricht het gas, door toevoeging van warmte, arbeid. De warmte komt voort uit de

verbranding van dieselolie. Aangezien niet alle warmte kan worden omgezet in arbeid,

neemt het gas een gedeelte van de warmte met zich mee. Hierdoor is de temperatuur van het gas dat uit de motor komt hoger dan de temperatuur van het in te laten gas. Om het gas

uiteindelijk weer op inlaatconditie te krijgen, dient het in de cyclus in ieder geval te worden gekoeld.

De dieselmotor dient voor de opwekking van mechanisch vermogen, dat door een aan de

motor gekoppelde generator wordt omgezet in elektrisch vermogen. De motor is tevens de pomp die het gas door de cyclus been pompt. Met de verbranding van dieselolie in de motor wordt zuurstof verbruikt en ontstaan er verbrandingsproducten die voornamelijk bestaan uit

koolstofdioxide en water. De uitlaatgassen bevatten dus een lagere concentratie zuurstof en hogere concentraties koolstofdioxide en water dan de inlaatgassen. Hieruit volgt dat ook de gassamenstelling in de gascyclus op inlaatconditie !moot worden gebracht.

Om het gasmengsel dat uit de dieselmotor komt weer op inlaatconditie te krijgen, wordt het

gas na de dieselmotor gekoeld,

gereinigd en

verrijkt met zuurstof en argon am

respectievelijk het zuurstofpercentage en de gammawaarde van het in te laten gas op de gewenste waarde te krijgen. Deze bewerkingen van het gas vinden pleats in de volgende

componenten van de gascyclus (zie ook figuur 2.1):

- vat voor spraykoeling: nadat de gassen uit de twee uitlaatreceivers samenkomen, worden ze in een klein vat gekoeld door een geInjecteerde waterspray. Koeling vindt

voornamelijk pleats door verdamping van het water en in mindere mate door opwarming van het water.

- eerste separatorvat: hierin wordt een eventuele overmaat earl' geinjecteerd water

opgevangen en afgevoerd, zodat er alleen een gasstroom verder pat.

absorber: de gasstroom wordt in tegenfase door een nevel van zeewater geleid, zodat er koolstofdioxide uit het gas in het zeewater oplost. Omdat het ingelaten zeewater niet verzadigd is

met de verschillende gascomponenten en de concentraties van de

componenten in het gas grater zijn dan de concentraties van deze componenten in zeewater, zullen de gascomponenten in

het zeewater oplossen zolang

_{er geen}

verzadiging is bereikt. In _{stationaire toestand zal de} in de motor geproduceerde

hoeveelheid koolstofdioxide precies moeten warden overgedragen aan het zeewater (het in de motor en door spraykoeling ontstane waterdamp zal afkoelen, condenseren

en uit het systeem worden gepompt). De oplosbaarheid van koolstofdioxide in zeewater

is respectievelijk ongeveer 25 en 50 maal zo groat al s die van zuurstof en stikstof in

zeewater. Hierdoor zal er maar een fractie van de toegevoegde zuurstof verloren gaan

in het zeewater, hetgeen het rendement ten goede komt. In de absorber vindt tevens verdere koeling van de gassen pleats, tot ongeveer de zeewatertemperatuur.

Om de absorber zit een bypassleiding met een geregelde klep die ervoor moet zorgen

dat het drukverschil over de absorber niet grater dan 110 mbar wordt. Wordt dit

drukverschil wel te groat, dan kunnen er overstromingsverschijnselen in de absorber

optreden (flooding). Hierdoor zou er water in de gascyclus komen, hetgeen in verband met schade aan de dieselmotor zeer ongewenst is.

tweed& separatorvat: hierin wordt eventueel meegekomen zeewater uit de absorber

opgevangen en door het openen van een klep onderin het vat uit het systeem gelaten. Door de overdruk in het systeem zal het water bij het openen van de klep vanzelf uit het systeem stromen. Beide separatorvaten zorgen er oak voor dat als er toch flooding in de absorber optreedt er geen water in de dieselmotor kan komen.

CONFIDE NTIEEL ₃

(15)

-2.1 WERKING VAN HET CLOSED CYCLE DIESELSYSTEEm

- zuurstof- en argontoevoer: na het tweede separatorvat wordt zuurstof en argon aan de gereinigde gassen toegevoegd. De zuurstof is zoals at eerder genoemd nodig voor het

verbrandingsproces in de motor en de argon wordt toegevoegd om de gammawaarde van het gas (= verhouding tussen de soortelijke warmte bij constante druk en volume

(c1,/c)) te verhogen. Het in de motor te laten gas heeft namelijk een hogere concentratie

koolstofdioxide dan lucht. Door de lage gammawaarde van koolstofdioxide wordt de

gammawaarde van het gas verlaagd. Dit resulteert in een lagere eind-compressiedruk en -temperatuur, hetgeen ontstekingsuitstel tot gevolg heeft. Het ontstekingsuitstel heeft een explosieve en slechte verbranding tot gevolg. De motor zou een slecht rendement krijgen en meer geluid en trillingen produceren. Argon heeft een hoge gammawaarde en wordt toegevoegd, zodat het gas dezelfde gammawaarde als lucht krijgt. Argon neemt

niet deel aan de verbranding, maar lost wet gedeeltelijk op in het zeewater (ongeveer

4% van de totaal toegevoegde massastroom zuurstof), waardoor er continue een kleine hoeveelheid argon moet worden toegevoegd.

Na de zuurstof- en argoninjectie bevindt het gas zich weer op inlaatconditie en kan het worden gebruikt voor de verbranding van dieselolie in de motor.

Het proces dat zich in de gascyclus afspeelt is het proces dat in het simulatiemodel wordt

gesimuleerd.

De watercyclus zorgt, zoals hierboven at genoemd, voor het van buiten- naar binnenboord

halen van zeewater en vice versa. Het proces in de watercyclus (zie hieronder) wordt niet

gesimuleerd. De reden hiervoor ligt in het felt dat het watermanagementsysteem voorziet in

een vrijwel constante stroom zeewater naar de absorber. Omdat de watercyclus het

CCD-systeem diepte-onafhankelijk maakt, kunnen alleen de concentraties van de in het zeewater opgeloste gascomponenten, de saliniteit en de temperatuur veranderen. Deze verschijnselen kunnen in het simulatiemodel worden meegenomen. In het simulatiemodel

wordt zodoende een constante massastroom zeewater door de absorber ingesteld.

De werking van de watercyclus en met name van het watermanagementsysteem zal

hieronder wet worden uitgelegd.

Zoals hierboven at genoemd dient het watermanagementsysteem (WMS) voor het met

minimale energie van binnen- naar buitenboord brengen van zeewater en vice versa. Tevens

maakt het VVMS de COD-motor diepte-onafhankelijk. Het systeem is opgebouwd uit drie gekoppelde cilinderparen met vrije zuigers die de koppeling verzorgen tussen het hoge en

het rage druk watercircuit.

Met behulp van figuur 2.2 zal eerst de opbouw van het WMS warden uitgelegd. Daarna zal

de werking worden beschreven. Het W MS bestaat uit een circulatiepomp (die tegen hoge drukken bestand is), drie

cilinderparen met vrij bewegende zuigers, een lage druk

circulatiepomp, de absorber en zes 2-weg-kleppen. De 2-weg-kleppen dienen om de

cilinders afwisselend te kunnen koppelen aan de lage en hoge druk kant van het systeem

(zie figuur 2.2).

Het WMS bestaat uit een hoge druk en een lage druk cyclus. Van elk van de drie

cilinderparen is steeds een cilinder op het hoge en een cilinderpaar op het lage druk

systeem aangesloten. Als de zuigers in de cilinders van een cilinderpaar de uiterste standen

bereiken, dan schakelen de 2-weg-kleppen om. Het omschakelen van de kleppen zorgt ervoor dat de cilinder die op het lage druk systeem was aangesloten op het hoge druk

systeem wordt aangesloten en vice versa. Eigenlijk werkt het systeem volgens het principe

van het "emmertje overhevelen". Het water wordt door twee circulatiepompen steeds

rondgepompt. Een circulatiepomp bevindt zich in de lage en ben in de hoge druk cyclus. De

circulatiepompen dienen slechts om de wrijvingsverliezen in het WMS en de absorber to.

(16)

overwinnen en niet om grate drukverhogingen tot stand te brengen. Door dit principe

verbruikt het systeem slechts weinig energie.

De absorber, de lege druk circulatiepomp en het bijbehorende pijpwerk (linker gedeelte van

figuur 2.2) maken steeds deel uit van de lage druk zijde van het systeem, de hoge druk

circulatiepomp en al het pijpwerk van en naar buitenboord maken deel uit van de hoge druk

kant van het systeem. De drie cilinderparen warden afwisselend op het hoge of lage druk

deel aangesloten.

Het zeewater wordt in de absorber gebruikt voor het onttrekken van koolstofdioxide uit de

uitlaatgassen. Door verneveling van het zeewater in de absorber wordt het contactoppervlak tussen het gas en het water zo groat mogelijk gemaakt, zodat er door de

concentratieverschillen tussen het gas en het water koolstofdioxide oplost in het zeewater. In feite is het zeewater aan de inlaatzijde van het WMS CO2-arm en aan de uitlaatzijde van het WMS CO2-rijk. GAS UR A GAS IN 0 LAGC CZULAT1E POMP LACE DRUK WATER CIRCUIT WATERMANAGEMENTSYSTEEM CONFIDENTI EEL

2.1 WERKING VAN NET CLOSED CYCLE DIESELSYSTEEM

ZCONATCR IJFT HOGE DRUK WATER CIRCUIT ZEEWA TEN IN HOG [MLA( CIRGULA7E POMP

Schoon (CO2 aim) zeewater.

= Gebrukt (CO2 nik) zerwater

Figuur 2.2: Schematische weergave van het watermanagementsysteem, eerste

moment-opname.

De werking van het mechanisme is als volgt, zie figuren 2.2 en 2.3. Onder de zuigers van de cilinders bevindt zich steeds schoon water (lichtgrijs weergegeven in de figuren), boven de

zuigers CO2-rijk water (donkergrijs weergegeven). In

figuur 2.2 komt het water van

buitenboord binnen en wordt door de circulatiepomp naar de cilinders A2, B1

_{en C2}

gestuurd. Doordat deze cilinders warden gevuld met schoon zeewater, wordt het vervuilde

water boven de zuigers overboord gepompt. Bij cilinderpaar C staan de zuigers in hun uiterste stand. Op dat moment gaan de kleppen 3 en 6 boven en onder cilinderpaar C

verspringen. Na het verspringen van deze kleppen is Cl aangesloten op het lage en 02 op

het hoge druk systeem.

Ondertussen stuurt de lege druk pomp vervuild zeewater naar de bovenkant van de zuigers

Al, B2 en Cl. De ruimten boven de zuigers van deze cilinders warden gevuld met vervuild

(17)

water, waardoor het schone zeewater onder de zuigers naar de absorber wordt geduwd.

Door de omschakeling bij cilinderpaar C wordt cilinder Cl opgevuld met schoon zeewater en C2 met vervuild zeewater. Hiermee volgt figuur 2.3.

GAS UP GAS IN A 0 LACE ORUN GIGULATIE ROMP LAGE ORUK WATER CIRCUIT Al WATERMANAGEMENTSYSTEEM A2 Bt 82 Cl CONFIDENTIEEL

2.1 WERKING VAN NET CLOSED CYCLE DIESELSYSTEEM

HOGE D UK CIRCULATE

POMP

Scnoon (CO2 arm) zeewater.

Gebruikt (CO2 9k) zeewater

Figuur 2.3: Schematische weergave van het watermanagementsysteem, tweede moment-opname.

Om een continue stroom water door de absorber te krijgen, werken de cilinderparen A, B en

C met een faseverschil van 1200. Op het moment dat de zuigers van cilinder C 120° zijn verschoven na het moment van verspringen van de kleppen 3 en 6 komen de zuigers van cilinderpaar B in een uiterste stand. Hierdoor verspringen de kleppen 2 en 5, zodat B2 wordt gevuld met schoon water en het vervuilde water boven zuiger B2 overboord wordt geduwd.

Het omgekeerde gebeurt in cilinder Bl, zodat door het vervuilde water waarmee B1 wordt gevuld het schone zeewater onder de zuiger naar de absorber gaat.

Als het systeem dan weer 1200 verder is, zullen de kleppen 1 en 4 van cilinderpaar A

verspringen, maar dat is niet meer weergegeven.

2.2 WERKING VAN HET SIMULATIEMODEL

Het Simulatiemodel is gemaakt met het computerprogramma MATRIXx. Aan dit programma

is de interface Systembuild gekoppeld. In Systembuild is het hele simulatiemodel door middel van blokschema's opgebouwd. Het model is weergegeven op verschillende niveaus.

Het hoogste niveau bestaat onder andere uit vier Superblocks. In _{een Superblock bevindt} zich een blokschema op een lager niveau, waarin zich _{weer nieuwe Superblocks kunnen} bevinden. Door middel van het invoeren van commando's in het Xmath commandwindow van MATRIXx wordt het simulatiemodel, bestaande uit de blokschema's in Systembuild,

doorgerekend. ZEEWATER OTT C2 HOGE DRUK WATER CIRCUIT ZEEVVATERN 6

(18)

2.2 WERKING VAN HET SIMULATIEMODEL

In een opstart-file wordt aan alle parameters een waarde toegekend. Deze opstart-file wordt in het commandwindow aangeroepen, zodat alle waarden van de parameters in Systembuild

worden geladen. Als dit is gebeurd, wordt er een simulatietijd en het aantal tijdstappen waarin het model moet warden doorgerekend opgegeven. Vervolgens wordt het gewenste generatorvermogen ingevoerd en wordt er een commando gegeven am de simulatie op te starten.

De uitgangen van het model in

Systembuild kunnen warden opgeroepen

in het commandwindow. Zo kunnen de resultaten warden bekeken en eventueel tegen elkaar, of

de tijd warden uitgezet in een grafiek. In een command-file staan commando's die na het opstarten van het simulatiemodel kunnen warden gebruikt om parametervariaties uit te

voeren. De commando's uit de command-file warden weer ingevoerd in het commandwindow.

Zo kan het bijvoorbeeld gewenst zijn am alle uitgangssignalen van het model tegen het generatorvermogen uit te zetten. Met de commando's uit de command-file wordt dan een

loop aangestuurd, die in dit geval het generatorvermogen stapsgewijs verandert. Er warden dan opeenvolgende simulaties uitgevoerd met een op- of aflopend generatorvermogen. Van

elke simulatie warden de waarden van de laatste berekeningsstap van alle uitgangen

weggeschreven naar een aparte matrix die na het eindigen van de loop tegen het ingestelde

generatorvermogen kunnen warden

_{uitgezet. Op deze manier kunnen oak andere}

parameters warden gevarieerd en zo kan de invloed van deze parameters op het model

warden bekeken.

De opstarten command-files zijn respectievelijk opgenomen in bijlage C en D.

(19)

CONFIDENTIEEL

1

3. AANPASSINGEN AAN HET CCD-SIMULATIEMODEL

In

dit hoofdstuk worden alle aanpassingen aan het simulatiemodel doorgenomen. De

aanpassingen kunnen zowel veranderingen aan de proefstand betreffen die nog niet in het model waren meegenomen, als verbeteringen aan het oude simulatiemodel am een grotere nauwkeurigheid te krijgen.

Het doel van de ingenieursopdracht is het verbeteren van het bestaande simulatiemodel.

Aangezien er met het oorspronkelijke model slechts trends zichtbaar konden warden

gemaakt, gaat het erom het model zelf en het gedrag van het model beter overeen te laten komen met de proefstand.

Een uitgebreide uitleg over de modelvorming van alle subsystemen van het CCD-systeem

kan warden gevonden in het afstudeerwerk van M.G.J. Schasfoort. Dit zijn de rapporten

'DEMO 9205. en 92.14 van de vakgroep werktuigkundige installaties van de TU Delft

[Schasfoort, aug. 1992 en dec. 1992].

De gekozen aanpak am uiteindelijk een nauwkeuriger model te krijgen zal in de eerste

paragraaf warden beschreven. Daaruit blijkt dat allereerst alle parameters opnieuw warden

vastgelegd. De hierbij opgetreden moeilijkheden zullen in de tweede paragraaf warden

behandeld. AIle aanpassingen aan het model warden in paragraaf 3.3 beschreven.

3.1 PLAN VAN AANPAK

Om het model nauwkeuriger te krijgen, zijn eerst alle parameters onder de loep genomen.

Het model van M.G.J. Schasfoort is een gematcht model van de oude proefstand, waarin

een andere motor en een andere configuratie van de pijpen waren toegepast. Dit betekent

dat Schasfoort de resultaten van het simulatiemodel aan de hand van parametervariaties

zoveel mogelijk overeen heeft laten komen met de oude meetgegevens van de proefstand.

Een aantal parameters zijn daarom in het oorspronkelijke model veranderd, am betere

resultaten (overeenkomende uitkomsten) te krijgen. In paragraaf 3.2 zal het hele proces van het vastleggen van de parameters warden beschreven.

Met de opnieuw vastgelegde modelparameters is het model opgestart. Dit diende geleidelijk

te ge-b-eurer-i, bi-d-1-ria -fiet mo-dif te grote veranWirTgen peTtijdstap-TileThaVverwerken. Voor---aeze aanpak is ge-kozen, zodat er een werkendm-odel in.-To-Fdt verkregen, zonder dat het met 1

allerlei parameters aan de meetwaarden van de Pioeristandli gematcht

.

Nadat de invoering van de vastgelegde parameters goed is gegaan, kunnen de benodigde aanpassingen geschieden in een model dat door reele parameters wordt opgestart. Er kan dan in de gaten warden gehouden of de doorgevoerde aanpassingen of verbeteringen een

positief of een negatief effect hebben ten opzichte van de meetgegevens. Zie hiervoor

paragraaf 3.3.

3.2 OPNIEUW VASTLEGGEN VAN ALLE MODELPARAMETERS

Om het model beter te kunnen doorgronden, zijn eerst alle parameters (ongeveer 90)

opnieuw vastgelegd. Het vastleggen van de parameters is op vijf verschillende manieren

geschied. Ten eerste kon een aantal parameters warden opgemeten, zoals

lengte-,

oppervlakte- en inhoudsmaten van leidingstukken en vaten. Ten tweede diende een aantal

parameters te warden berekend (versterkingsfactoren, warmteoverdrachtscoefficienten).

(20)

3 2 OPNIEUW VASTLEGGEN VAN ALLE MODELPARAMETERS

r,

Ten derde moest een gedeelte van de parameters warden geschat (frictiecoeffjtienten /1)f--ve"t-e weerstandscoefficienten). Ten vierde zijn

er oak parameters die

exact bekend zijn

(aantallen, constanten). Als vijfde en laatste zijn

er oak parameters

cli6 warden overgenomen uit

de meetresultaten van de proefstand, zoals tempgratt(ren_erL de

massastroom zeewater.

Alle parameters zijn te vinden in bijlage E. In deze bijlage staan alle parameters in de

volgorde waarin ze warden aangeroepen in de opstart-file (bijlage C). De volgorde is tot

stand gekomen door de volgende verdeling van de parameters:

Besturingsparameters, zoals bijvoorbeeld het gewenste generatorvermogen (P_gen_in), instelling gewenst zuurstofpercentage (o2_inst) van het inlaatgas;

Omgevingsparameters;

Matchparameters die dienen am het gedrag en berekende waarden in overeenstemming te brengen met proefstandmetingen;

Constante parameters die voor deze specifieke proefstand als constanten in het model

warden gebruikt. Hieronder vallen onder andere:

- generatorrendement, eigenlijk een matchparameter, maar voorlopig als constante beschouwd;

- re elaaig_____:A__.istdinoen die eigeniiik besturingsparameters zijn, maar in dit model zijn vastgelegd om numerieke problemen te voorkomen.

Binnen deze vier groepen zijn de parameters weer onderverdeeld in parameters die

betrekking hebben op de dieselmotor, de absorber of op de pijpen en vaten in het systeem. Bij elke parameter wordt aangegeven wat deze voorstelt en hoe de parameter wordt gebruikt

of berekend. Tevens wordt er per parameter aangegeven in welk Superblock (SB) in

Systembuild hij wordt aangeroepen. Daarnaast wordt bij de besturings- en matchparameters

aangegeven wat de minimale en maximale waarde mag warden, zonder dat de parameter

irreeel wordt. Een overzicht van alle parameters wordt gegeven in de tabel in *age F. In alle afleidingen en vergelijkingen warden de parameters bij de namen genoemd, die er in

het simulatiemodel aan zijn toegekend. Dit heeft als nadeel dat door een aantal lenge

benamingen de vergelijkingen er onoverzichtelijk

uit kunnen zien. Het voordeel is de

eenduidigheid in de benaming, zodat bit het nazoeken van parameters in het model niet naar een andere naam hoeft te warden gezocht.

Een aantal parameters was niet snel vast te leggen en diende beter te warden uitgezocht.

De parameters die goed onder de loep zijn genomen zullen hieronder warden beschreven. Per parameter is er een aparte subparagraaf aan besteed.

3.2.1 PARAMETER TAU

Tau is nodig in de berekening van de stofoverdracht tussen het gas en het zeewater in de

absorber. Deze berekening is te vinden in [Wijma, 1991]. De karakteristieke contacttijd tau

stelt de tijd voor waarin een waterdruppeltje in dezelfde toestand blijft, dat wil zeggen de

tijdspanne tussen het vormen van een druppeltje na het uit elkaar slaan van een druppeltje

op een draad van het gaaspakket in de absorber en de botsing van het druppeltje met de

volgende draad. Zonder de hele achterliggende theorie te herhalen warden bier de

benodigde formules herhaald, om te

laten

zien hoe tau

in

verband staat met de

stofoverdracht.

CONFIDENTIEEL ₉

(21)

-De stofoverdracht van gas naar vloeistof kan worden beschreven met:

N

kmol

=k,(c,*

c1)

-m

2 met: NA Stoftransport Interfaceoppervlak ki Stofoverdrachtscoefficient in vloeistof

Ci Concentratie te absorberen stof aan het contactoppervlak in de vloeistof (interfaceconcentratie vloeistof)

ci Bulkconcentratie van gas in de vioeistof

De stofoverdrachtscoefficient volgt uit:

771

= 2 _(3.2)

tau

In deze formule is D de diffusiecoefficient [m2/s] en tau de karakteristieke contacttijd die

bepaald dient te worden. De afleiding van de diffusiecoefficient is te vinden in [Wijma, 1991] en [Schasfoort, aug. 1992].

Aangezien de volumestromen gas en water in de absorber weinig varieren, kan er een vaste

waarde voor tau worden berekend. In de roterende absorber zal de stofoverdracht beter

verlopen naarmate de periode tussen hernieuwde menging korter is. Dus bij een kleinere tau zal er meer koolstofdioxide aan het zeewater worden overgedragen. Vandaar dat tau in de noemer van de relatie voor de stofoverdrachtscoefficient staat.

Voor de karakteristieke contacttijd geldt:

U1_{. gem} met:

draadafstand Afstand tussen twee draadjes in het gaaspakket in de stromingsrichfing van het gas

Urge, _{Gemiddelde lineaire vloeistofsnelheid ten opzichte van de mesh. ook wel de superficiele vloeistofsnelheid}

genoemd

De draadafstand bedraagt vier gaaslagen. Uit [Wijma, 1991] volgt dat de laagdikte tussen de 0.15 en 0.30 [mm] bedraagt. Hiermee is de draadafstand vastgelegd op 1 [mm].

De gemiddelde lineaire vloeistofsnelheid Ui,gem kan worden bepaald met behulp van de

volgende betrekking:

-

_A

-17 s

mesh

Hierin geldt:

Volumestroom zeewater door de absorber

Amesn Doorstroomoppervlak van de mesh

Holdup. stelt de vloeistofinhoud per kubieke meter vrije doorstroomruimte in de absorbervoor

o volgt uit de meetresultaten van 26/03/97: debiet Q _{- 115 [m3/h] = 3.2.102= 0.032 [m3/s].}

Zie figuur 3.1. (3.1)

[4;

(3.3) (3.4) TC CONFIDENTIEEL ₁₀ clraadqfstand tau ; s

(22)

-Q IQ 'cm Imesh 150 130 120

L

i 0 190 60 70 -0

0.032ni3

[M2 s] Ii 1.L9 .a1.8

Soo ...ear tioto to ttSt

Figuur 3.1: Volumestroom zeewater near het watermanagementsysteem_ Meetgegevens

van de endurance test op P_gen =260 kW van 26 maart 1997.

Het doorstroomoppervlak van de mesh is berekend earl' de band van bet totale uitgerolde

gaasoppervlak. De mesh bestaat namelijk uit eenstuk gaas met de volgende afmetingen: totale Ilengte: lengte 6 [m];

Iotale hoogte, gewogen gemiddelde van inner- en outermesb:: hoogte 0.33 l[ml,

Het totale oppervlak van de mesh bestaat uit een ioppervlak

van het meshmateriaall

(ongeveer 25%), een oppervlak dat door het water wordt ingenomen (ongeveer 15%) en bet vrije doorstromingsoppervlak van het gas. Dit laatste oppervlak is nodigi voor de berekening van de gemiddelde lineaire vloeistofsnelheid:

Ames = 0.60 Vengte hoogte = 0.60 . 6 . 0.33 = 119 [m2] J. _'(3.5) De holdup h volgt uit bet I[Wijma,, 1991 als er een gewogen gemiddelde wordt _genomen tussen de holdup berekend met een laagdikte (= 14-draadafstand) van 0.15 en de holdup

berekend met een ilaagdikte van 0.30 [mm]: rh = 0.1811. Hiermee kan Ulgem worden berekend:

444neon sysin 4906 IC2562), Soo wattt Onto to WINS

Met deze waarde kan iulteindelijk tau worden berekenck

ranclqfstand11.10-3

;tau 0.00668 [s].

it

_bgern 0.15

Bij de lberekening van tau dient een opmerking gemaakt te worden betreffende de

nauwkeurigheid. Er zijn namelijk een aantal variabelen geschat en berekend, zonder dat er

echt duidelijkheid over bestaat. IDit zijn: het doorstromingsoppervlak van de mesh ea de

holdup. Het rapport van Wijma zou ihier duidelijkheid moeten verschaffen, _{maar dat is niet} mogelijk. Tau zal dan ook tijdens het matchproces moeten worden ingested, zodanig dat

CONFIDE NTIEEL

3.2 'OPNIEUW VASTLEGGEN VAN ALLE MODELPARAMETERS

, 400001/ v 3 4 5 -1111-1 7 limo! hi

p:6y

140 100 2 - 0.15

-

_(3.7) de 11

(23)

opgeloste hoeveelheid koolstofdioxide in het water met meetwaarden overeen komt. De

hierboven berekende waarde voor tau is slechts een globale schatting.

3.2.2 PARAMETER WRSIND_ABS

In [Schasfoort. 1992] werd de indruk gewekt dat wrstnd_abs een parameter is die de

weerstandscoefficient in rekening brengt. Dit is echter ten dele waar, waardoor de waarde

die aan wrstnd_abs moet warden toegekend van een hele andere orde grootte is dan

wanneer wrstnd_abs alleen maar een weerstandscoefficient zou zijn. Met deze parameter

wordt namelijk in eon keer de weerstandscoefficient gabs) en het equivalente doorstromingsoppervlak (Aeq.abs) van de absorber geschat. Deze twee parameters zijn nodig voor de bepaling van de massastroom (dm_absorber [kg/s]) gas door de absorber. Voor de

drukval over de absorber geldt namelijk:

1

APabs = Phs (11ahs '11)s

[

2 ;

2 " 171

met:

Apabs Drukverschil over de absorber

Pabs Dichtheid van het gas door de absorber

Vabs Snelheid van het gas door de absorber

Cabs Weerstandscoefficient van de absorber

din absorber

1711

Als in deze vergelijking v wordt vervangen door:

vubs =I I

_(3.9)

Pubs kg abs LS

dan wordt onderstaande vergelijking verkregen waarin dm_absorber dus is terug te vinden.

= 2 Pribs

din_

absorber = A

_eq

thn_absorberl2

-Pairs Arqabs

2 [ kg

4ths L s

(3.8)

Vergelijking (3.8) kan worden herschreven, zodat dm_absorber de te berekenen variabele wordt:

(3.10)

Uit deze vergelijking volgt dat Aeq.abs en cabs bekend dienen te zijn voor de berekening van de

massastroom door de absorber. De andere variabelen in de vergelijking zijn al bekend uit

andere berekeningen in het simulatiemodel.

Omdat een berekening van deze parameters altijd neer komt op een schatting worden _Aeq.abs

en 4abs samen genomen in een parameter. Deze parameter is wrstnd_abs en met deze parameter kan de drukval over en zodoende de massastroom door de absorber worden gematcht. Ook de factor 2 wordt in parameter wrstnd_abs meegenomen, welke in het kwadraat onder het wortelteken wordt gezet, zodat de parameter buiten de wortel kan worden gehouden. Op deze manier wordt er een makkelijker te hanteren waarde uit de

parameter wrstndi abs verkregen:

CONFIDENTIEEL ₁₂

(24)

dm_ absorber =

(Pratfall

met:

Toerental van de motor 2 voor vier-takt motor

Hieruit kan de werkelijke totale volumestroom, gecorrigeerd met een geschatte factor

warden berekend. Deze factor

is

op 80% geschat vanwege terugstroming van de

uitlaatgassen in de cilinders tijdens klepoverlap en vanwege het felt dat niet de hele slag

wordt gebruikt aangezien de inlaatkleppen pas sluiten als de zuiger al naar boven beweegt: goe_ slag Plural

.080

P maul .werkelijk (Pratat(

2 abs Palm APahs Palm

4ths

(wrstnd _abs),

(Are tabs)2 0.0219-25

m

0.2741

3 777 CONFIDENTIEEL

1 kg

wrstnd abs

Pass

7,

(3.10) Om een waarde aan wrstnd_abs toe te kennen is er een schatting voor de massastroom gas

door de absorber gemaakt. Hiervoor dient eerst de totale massastroom gas door het

systeem te worden afgeschat, welke daarna aan de hand van de temperaturen voor en na

de absorber en na de bypass kan worden opgesplitst in een massastroom door de bypass

en door de absorber. De totale

massastroom wordt geschat met behulp van de

concentraties van het gas voor de motor (bekend van RDMS) en de gegevens van de motor: totaal slagvolume: slag ,fraaal 7r. TC

=

(boring)

S awned =

(0.128)2 0.142 -12 = 0.0219 [171-'1; (3.11) v 4 4 met:

boring Diameter van de cilinders = 0.128 Ern]

Slaglengte = 0.142 [m]

aantcil Aantal cilinders = 12

totale volumestroom, gebaseerd op de totale lag:

(3.12)

(3.13)

ke.7"-"&\

Met behulp van de gasconcentraties, de dichtheden en de druk is een gewogen gemiddelde veoa.

voor de dichtheid van het gas berekend, zodat de totale massastroom kan warden

berekend. Bestanddelen inlaatgas zijn volgens een schatting RDMS bij een

generator-vermogen van 259 [kW]:

fi6(46177/-Wi71/1//

1116

att.J

N2 20 % 1.25 13

bestanddeel volumepercentage dichtheid [kg/m3]

CO2

_{35 %}

_1.98

02 21 `)/0 1.43

Ar _{20 %} _1.78

H,,0 (gas) 4 % 0.60

flri.)cc,t.4"._

7

Tabel 3.1: Volumeconcentraties en dichtheden van het gas voor de inlaat van de motor: De dichtheden gelden bij p = Po en die van waterdamp bij T = 373 K.

(25)

/&e

../(rriN

0-eA. ce, /4,-Cc

.cif

of

X-.

c4.,

/17' )

(26)

Het gewogen gemiddelde van deze dichtheden komt op een waarde van 1.62 [kg/m3], bij p = Po. Bij een inlaatdruk van 3.0 bar geeft dit: ninlaatgas 3.0.1.62 = 4.87 [kg/m3].

Hiermee wordt de massastroom inlaatgas:

dm_toestr_inl =

_:mattverkelijk Pinlaargas = 1.07

[kg

dth_voor _.abs=1.15 .

s

wrstnd _abs=

De massastroom naar de absorber wordt dm_toestr_inl plus de ingespoten massastroom

brandstof (0.019 [kg/s] bij 259 [kW] generatorvermogen), gecorrigeerd met de kleine drukval van inlaat naar de absorber:

VAp,,,

p

V110.1024.971

354.3 [H.

elm

_absorber

0.66

3.2 OPNi EUW VASTLEGGEN VAN ALLE MODELPARAMETERS

, 3.18 (1.07 + 0.0191. <=>

3.0

(3.15)

Met deze massastroom en de temperaturen na de absorber,

de bypass en de

mengtemperatuur na samenkomst van de massastromen Ikan een massabalans worden

opgesteld. Uit

_{deze massabalans volgt}

_een

_{schatting van dm_absorber.}

_In _deze

massabalans is aangenomen dat dm_voor_abs gelijk

is aan de massastroom na de

absorber en de bypass samen (=dm tot). Hiermee wordt uiteindelijk dm_absorber geschat:

dm _tot

= dm _absorber -T,,, + dm _bypass -Tnabrp. (3.16)

De waarden van de temperaturen volgen uit meetwaarden van RDMS van maart 1997.

Met deze schatting van de massastroom gas door de absorber kan een uitgangswaarde voor de parameter wrstnd_abs worden gevonden:

(3.17)

(3.19)

Dit is een grotere waarde dan Schasfoort had berekend. Hij had namelijk een waarde van 242.66 [1/m2].

3.2.3 PARAMETER ETA_ZW

De volgende parameter is _{het zwakveerrendement, eta_zw} _[-] _en

_{is een constante}

parameter. Deze parameter geeft aan in hoeverre de arbeid in een bij metingen opgenomen zwakveerdiagram afwijkt van de arbeid in het benaderde zwakveerdiagram.

Met: dm

_tot

= dm _absorber + dm

_bypass

kg].

s levert dit: dm

_absorber =

dm tot 1

.15 (320..

8

3607)

= 'KTna abs why) (291.2 360.7) CONFIDENTIEEL ₁₄

dm_voor_abs =(dm_toestr_inl+dm_brandstof )

Moor absorber

Pinlaarmotor 0.66

[H

. (3.18)

kg]

(3.14) S T

(27)

!rot&

t)

ioa/

dt-t

trui °"

(28)

Dit rendement geldt bij ipositieve spooling, bij ,negatieve spooling gebruikt het model de

reciproke waarde. Als bil negatieve spooling de reciproke waarde wordt ,gebruikt, clan wordt doze groter dan 'den.

'In het model staat in superblock draaimoment staat het volgende:

1

als o > Pint, clan eta zw , anders

eta_

zw = eta_ zw(= 062).

eta_ zw

Het rendement wordt daarna voor de berekening vanlhet Rapper! in de spoellus gebrillikt eta_zw- vslag- (p _in!

Q_zn [Nm].

n-IDit rendement heeft alleen invloed op de arbeid van de spoellus. Volgens "Cramer, 19971

,komt de arbeid die geleverd wordt in de arbeidsslag bijna overeen met de geleverde arbeid in de totale slag. Het berekende zwakveerkoppel bedraagt 4.8% van het motorkoppel. Doze

waarde heeft dus maar eon minimale invloed op het model. 'De instelling _{van Schasfoort,}

eta_zw = 0.62, wordt in zijn rapport zonder verdere onderbouwing eerst op 0.65 en later op 0:62 gezet., Deze instelling wordt aangehouden.

3.2.4 PARAMETER F_UITLWRST

F_uitlwrst is de weerstandsfactor .in de uitlaat van de dieselmotor

_{en is een constante}

parameter. Schasfoort had alle weerstandsfactoren van de leidingstukken op 0.03 gezet. Dit

is een overall-schatting geweest. F,juitlwrst staat model voor alle andere leidingweerstandsfactoren: fl, f2, f3 en f_inlwrst.

In het simulatiemodel wordt incompressibele stroming

_{aangenomen. Vanwege doze}

aanname kan de formule van Karman-Nikuradse "Leijdens], worden gebruikt om de

weerstandsfactoren te berekenen:

= 2

log(-2kj+ r 74

.

IT

Hierin is D de diameter van het pijpdeell en k de ruwheid van, de wanden i[LeijdenS1

volgen ook enige waarden voor k voor gelaste stalen buizen: - nieuw: k.0.05-0.10 [mm];

- lichte aangroeiingr _{k=0.15-0.20 [mm]';} sterke aangroeiing: k=tot 3 [mm].

In het geval van de CCD-installatie is aangenomen dat de leidingen van de motor tot de

absorber st ro _{hebben en da de leidingen van de absorber tot de motor lichte} aangroeiing_zullen hebben. Zodoende zijn e twee gemiddelde k-waarden aangenomen:

- ksterke aangroeilng r."-- 11.5 [mm];

- klichte aangroeiing "-= 0.175 [mm].

Op doze manier kan de weerstandsfactor _{orden 'bepaald: if uttlwrts = 0:047_ Alle andere}

weerstandsfactoren staan in bijlage E en F

CONFIDENTIEEL

3.2 OPNIEUW VASTLEGGEN VAN ALLEMODELPARAMETER;

-20) X3.21) 15 U t

(29)

-3.2.5 PARAMETER A_EFF

Door het aanpassen van berekeningen in het model zijn een aantal parameters van het

simulatiemodel van Schasfoort komen te vervallen. De parameters beschreven in paragraaf

3.2.4 tot en met 3.2.6 zijn pas komen te vervallen na uitgebreid te zijn onderzocht. Om

inzicht te geven in de beweegreden(en) om tot een andere berekening over te gaan, worden deze parameters hieronder wel beschreven.

Het effectieve spoeloppervlak van de motor, a_eff [m2], werd in het oude model via een onduidelijke berekening gebruikt voor de bepaling van de massastroom gas die door een

cilinder stroomt tijdens klepoverlap. Voor een dieselmotor die ender normale omstandigheden werkt heet dit de massastroom spoellucht.

Op pagina 39 van [Schasfoort, aug. 1992] staat: Aeff = 3.8 10g. pit is nog een waarde van de oude 8-cilinder motor. In de oude opstartfile staat vervolgens in formulevorm:

a_eff = aantcil effectiviteit app. per cdinder

= 12 0.1798 - 0.002642

alfatnot

= a A

met:

a Warmteoverdrachtscoefficient per eenheid oppervlak

A Oppervlak van de cilinderwand, de cilinderdeksel en de zuigerkop

3.2 OPNIELIW VASTLEGGEN VAN ALLE MODELPARAMETERS

0.0057 {m2] (3.22). De waarde 0.1798 is de effectiviteit. Hoe Schasfoort aan deze berekening en deze waarden

komt is niet duidelijk en staat ook niet in zijn rapport vermeld. Dit is de reden geweest om

over te stappen op een andere berekeningsmethode voor a_eff.

In bijlage VIII van [Schasfoort, dec. 1992] staat: een grote waarde voor a_eff betekent weinig stromingsweerstand, derhalve veel terugspoeling en dus een kleine volumestroom door het systeem.

De parameter a_eff

is, zoals hierboven al genoemd, nodig voor de bepaling van de

massastroorn spoellucht over de cilinders tijdens de klepoverlap. De andere

berekenings-methode volgt uit [Stapersma, 1996] en staat beschreven in paragraaf 3.3.4.

3.2.6 PARAMETERS ALFAMOT, ALFAOPP EN ALFAOPPINL

Alfamot is de warmteoverdrachtscoefficient voor het isobare traject 3-4 per cilinder, zie

pagina 27

[Schasfoort, dec. 1992]. Alfamot is nodig in de berekening van de

warmteoverdracht naar de omgeving en was in het oude model puur een matchparameter. Uit [Schasfoort, dec. 1992] volgt

_{dat de beste overeenstemming tussen model en}

werkelijkheid wordt bereikt wanneer de warmteverliezen worden gekoppeld aan het

temperatuurverschil (T4 - Tkoelwaler). Als alfamot = 0 wordt gesteld, dan wordt er geen isobaar warmteverlies in rekening gebracht.

In deze paragraaf zal alfamot model staan voor alfaopp en alfaoppinl. Deze parameters

worden in eenzelfde berekening van het warmteverlies als alfamot gebruikt. Verdere uitleg over deze twee parameters kan worden gevonden in bijlage E en F.

(3.23)

CONFIDENTIEEL ₁₆

In2

(30)

dirl

re^-7

TOLVareCL

-y0

Pr

re,

-r)

p'"?-0

p17

er,

rb-C

-krr

Cri

71-411

(4

PIT

(

(31)

Van deze formule kan A als volgt worden berekend:

traject 3-4 v_cil tot = 0.0019735 [m3]; vslag = 0.0018273 [m3].

Hieruit volgt: v3 = v_cil _tot vslag = 0.0019735 0.0018273 = 0.0001462 [1,11; (3.24) Uit het aangepaste Seiliger verbrandingsmodel dat in Systembuild is gemodelleerd volgt:

v4 = 0.00016268 [m3] (uitgang y_p(84)).

Nu ken het gemiddelde volume voor traject 3-4 worden bepaald: v3+ v4

V gen:3-4 0.00015443 [m3].

Het oppervlak van de cilinder is:

Jr

A,de

=--(bore)-

= 0.012868 [m2];

r 4

met bore = boring = 128.10-3 [m].

De gemiddelde hoogte van de ruimte boven de zuiger is dan:

V_{gem. 3 4}

h 0.0120 [m].

geni Acnder

Hiermee kan het totale gemiddelde oppervlak van de wand, deksel en kop warden bepaald:

A = bore - 2

(bore)1=

0.004825 + 0.0257 = 0.03056 [m' 1.

4 (3.28)

rppen.lakre vande,, and

Het blijkt

dat A nauwkeurig

bepaalt kan worden. Dit is

echter anders met de

warmteoverdrachtscoefficient a. Er zijn methoden om a te schatten, maar deze zullen altijd nog een onnauwkeurigheid van 10-15% met zich mee brengen. Om deze onnauwkeurigheid

uit de berekening te halen, kan a oak warden berekend door vanuit _{een schatting van het}

warmteverlies terug te rekenen. Echter zal het onhandig zijn am tijdens het matchproces een aanpassing van het warmteverlies te moeten terugrekenen naar een correctie _{van a. Dit en} de aanwezige onnauwkeurigheid zijn de redenen geweest cm voor het in rekening brengen van het warmteverlies door de cilinder wanden over te stappen op een andere berekening.

Een alternatief voor deze nieuwe berekening is ervan uit te gegaan dat het warmteverlies naar het koelwater voor een kleine tot middelgrote dieselmotor tussen de 15 en 20% van de

totale warmteproductie ligt. Door invoering van een "heat input efficiency" kan dit verlies makkelijk in rekening warden gebracht en is op een eenvoudige wijze aanpassing van het warmteverlies mogelijk, bet laatste is handig tijdens het matchproces. De inpassing van de "heat input efficiency" wordt in paragraaf 3.3.4 behandeld.

oppervlakre van kop & deksel

(3.25)

(3.26)

(3.27)

CONFIDENTIEEL ₁₇

(32)

.2

(2 9

(33)

3.2.7 PARAMETER ETA COMB

Eta_comb is het verbrandingsrendement. Er is echter een verschil tussen de definitie van het verbrandingsrendement en het verbrandingsrendement zoals deze in het model wordt gebruikt. In de theorie ken voor het verbrandingsrendement de volgende relatie worden gevonden:

= M

warmte in brandstof

ricomb

warmte die vrijkomt bij de heat release

Het verschil tussen de warmte in de brandstof en de warmte die vrij komt tijdens de heat

release stelt het totale warmteverlies 'roar de omgeving voor.

In het simulatiemodel wordt al een warmteverlies in rekening gebracht tijdens het isobare verbrandingstraject, waardoor bij het gebruik van de bovenstaande uitdrukking van het verbrandingsrendement een te groot warmteverlies in rekening zou worden gebracht. Om

deze reden stelt eta_comb in het model de verhouding tussen het werkelijke en het

theoretische brandstofverbruik voor.

Bij Schasfoort was het gemeten brandstofverbruik te hoog ten opzichte van het verbruik dat

aan de hand van het zuurstofverbruik verwacht mocht worden. Dit kwam door een

meetafwijking van in de meetwaarden van het brandstofverbruik. In de opstart-files van Schasfoort was het verbrandingsrendement gelijk aan ii gesteld.

De benodigde hoeveelheid zuurstof voor de verbranding van 1

kg diesel volgt uit het

volgende. De samenstelling van diesel in volumeprocenten is [Stapersma, 1996]: - 86% koolstof (C) met een moleculair gewicht van M = 12 [kg/kmol];

13% waterstof (H) met een moleculair gewicht van M = 1 [kg/kmol]; - 1% zwavel (S) met een moleculair gewicht van M = 32 [kg/kmol];

plus sporen van zuurstof en stikstof, welke zullen worden genegeerd.

De volgende reacties vinden pleats tijdens de verbranding van diesel met zuurstof:

c+02

c02

2H, + 0,

2H, 0

S+02

>S02

Met deze vergelijkingen kan de benodigde hoeveelheid zuurstof worden berekend, zoals te

vinden in de volgende vergelijking, met moleculair gewicht_{van zuurstof MO2 = 32 [kg/kmol]:} (0.86 0.13

0.00

+ + =

320.86

+ 0.13 + 0.01)

=3.34 [kg].

MC M,,

M1

1.12

4 32

Uit de grafieken van de endurance-test van 26/03/97 volgt, zie figuren 3.2 en 3.3: fuel consumption _{19.16 gram/s (gemiddelde waarde van de eerste 4 uur):} oxygen consumption _{- 59.75 gram/s (gemiddelde waarde van de eerste 4 uur).}

az OPNIEUW VASTLEGGEN VAN ALLE MODELPARAMETERS

(3.29)

(3.30)

CONFIDENTIEEL ₁₈