Design Optimization of Exhaust Gas Economizer Using CFD Simulations for Medium Speed Marine Diesel Engines Combine with Exhaust After Treatment

Abstract

Denne oppgaven presenterer optimaliseringen av avgassøkonomiseringsenheten til et spillgjenvinningssystem for en middels hastighets marine dieselmotor ved bruk av CFD-simuleringer og kombinert systemkonseptutvikling med kombinasjon av eksos etter behandling for motoreksos. Konseptutviklingen til nye økonomiseringsenheter blir også studert ved bruk av simuleringsresultater for å forbedre enhetens effektivitet gjennom å øke det effektive varmeoverføringsarealet.

Havutslipp er skadelig for både miljø og menneskers helse, som reguleres ved å sette opp regler og regulering i flere tiår. Den eksisterende fartøyflåten vil være i bruk i flere tiår i fremtiden, og disse fartøyene må ettermontere systemer for å kontrollere utslippene for å overholde regelverket. Varmegjenvinningen fra eksosen bidrar til å forbedre fartøyets drivstoffeffektivitet, noe som fører til redusert drivstofforbruk. Det lave drivstofforbruket gir lavere utslipp og eksos etter behandling bidrar til ytterligere fjerning av skadelige utslipp fra eksosen. Forbedring av effektiviteten til gjenvinningssystemet for spillvarme er basert på økonomiseringsenhetens optimalisering og utvikling av nye designkonsepter. Eksos etterbehandlingssystemet fokuserte hovedsakelig på reduksjon av nitrogenoksid og kontroll av partikler av dieseleksos.

Denne studien er hovedsakelig basert på CFD termiske simuleringer for å evaluere og optimalisere en eksisterende økonomiseringsenhet gjennom varmeoverføringsforbedringer. Eksisterende produkter og tidligere forskningsstudier er henvist til den kombinerte systemutviklingsprosessen. CFD-simuleringsresultatene for den eksisterende økonomiseringsenheten sammenlignes med måleresultatene for å bygge opp hoved CFD-saken som er satt opp. Optimaliseringen av økonomiseringen utføres basert på endringer i strømningsmønsteret ved hjelp av ledeplater og styring av strømningsretningen. De nye designkonseptene er utviklet basert på forbedring av varmeoverføring av overflateareal med henvisning til teorien om forbedringer av konveksjonsvarmeoverføring av varmevekslere.

I henhold til CFD-simuleringsresultatene kan varmeoverføringseffektiviteten til økonomiseringsenheten økes ved å innføre dieselspesifikt filter og oksidasjonskatalysator i eksosbehandlingssystemet som forhindrer sotdannelsen i økonomiseringsenheten. Simuleringsresultatene viser også at implementering av ledeplater i økonomiseringsenheten med et optimalisert antall ledeplater og skjærprosent kan brukes til å forbedre enhetens effektivitet. De nye designkonseptene er introdusert med finner og rørarrangementer med forskjellige strømningsmønstre og gradvis økende varmeoverføringsareal simulert ved hjelp av CFD-programvare. Forholdet mellom varmeoverføringsområdet og den totale varmeoverføringskoeffisienten analyseres fra simuleringsresultatene for å evaluere ytelsen. Generert mottrykk med økonomiseringsenheten i ny utvikling og totalt kombinert system er også diskutert i denne studien for å holde en stabil motorytelse.

For økonomiseringsenheten som er brukt i denne studien har en effektivitetsforbedring på 18 \% - 20 \% med 3 ledeplater i vannområdet med en skjærprosent på 20 \% i henhold til simuleringsresultatene av optimaliseringsprosessen. Ved å bruke diesel spesielt filter reduserer sotdannelsen og øker effektiviteten med 7 \% - 9 \% basert på simuleringene som presenteres i denne studien. Det er viktig å kombinere økonomiseringsenheten med etterbehandlingssystemet med hensyn til nitrogenoksider og reduksjon av partikler, og økonomiseringsenheten må kombineres i systemet etter behandlingsenhetene for å opprettholde de nødvendige temperaturnivåene diskutert i denne studien. Dette skurtresksystemet er hovedsakelig fokusert på ettermonteringsformål for eksisterende fartøy.

Eksperimentell oppsett for validering av CFD-simuleringsresultatene som er diskutert i denne studien er nødvendig i den fremtidige fasen av forskningen. Det er også viktig å gjennomføre en CFD-studie for å analysere strømningsatferden inne i enhetene som er inkludert i eksos etter behandlingssystem. Enhetenes akustiske ytelse i dette kombinerte systemet må evalueres i den fremtidige fasen for å identifisere støynivåene og kravene til støyreduserende implementeringer.

This thesis presents the optimization of exhaust gas economizer unit of a waste heat recovery system for a medium speed marine diesel engine with using CFD simulations and combined system concept development with combining exhaust after treatment for the engine exhaust. The concept developments of new economizer units are also studied using simulation results to improve the efficiency of the unit through increasing the effective heat transfer surface area.

Marine emissions are harmful for both environment and human health which is regulated by setting up rules and regulation for decades. The existing fleet of vessels will be in service for several decades in the future and these vessels needs to retrofit systems to control the emissions to comply with the regulations. The heat recovery from the exhaust helps to improve the fuel efficiency of the vessel which leads to reduce the fuel consumption. The low fuel consumption causes for the lower emissions and exhaust after treatment helps to further removal of the harmful emissions from the exhaust. Improving the efficiency of the waste heat recovery system is based on the economizer unit optimization and developing new design concepts. The exhaust after treatment system mainly focused on the Nitrogen Oxide reduction and particulate matter control of the diesel exhaust.

This study mainly based on the CFD thermal simulations to evaluate and optimize an existing economizer unit through heat transfer improvements. Existing products and previous research studies are referred for the combined system development process. The CFD simulation results for the existing economizer unit is compared with the measurements results to build up the main CFD case set up. The optimization of the economizer is conducted based on the flow pattern changes using baffles and flow direction control. The new design concepts are developed based on the heat transfer surface area improvement with referring to the theory of the convection heat transfer improvements of heat exchangers.

According to the CFD simulation results, the heat transfer efficiency of the economizer unit can be increased by introducing diesel particular filter and oxidation catalyst into the exhaust treatment system which prevents the soot generation inside the economizer unit. Also, the simulations results show that, implementing baffles into the economizer unit with a optimized number of baffles and baffle cut percentage can used to improve the efficiency of the unit. The new design concepts are introduced with fins and tube arrangements with different flow patterns and gradually increasing heat transfer area simulated using CFD software. The relationship of the heat transfer area and overall heat transfer coefficient is analyzed from the simulation results to evaluate the performance. Generated back pressure with the economizer unit in new developments and total combined system is also discussed in this study to keep a stable engine performance.

For the economizer unit which is used in this study has an efficiency improvement of 18\% - 20\% with 3 baffles in the water region with a baffle cut percentage of 20\% according to the simulations results of the optimization process. Using diesel particular filter reduce the soot build up and increase the efficiency by 7\% - 9\% based on the simulations which are presented in this study. It is important to combine the economizer unit with the after treatment system with considering the Nitrogen Oxides and particulate matter reduction and the economizer unit need to combine into the system after the treatment units to maintain the required temperature levels discussed in this study. This combine system is mainly focused on the retrofitting purpose for the existing vessels.

Experimental set up for validations of the CFD simulation results which are discussed in this study is required in the future phase of the research. Also, it is important to conduct a CFD study to analyze the flow behavior inside the units included in the exhaust after treatment system. The acoustic performance of the units in this combined system needs to evaluate in the future phase to identify the noise levels and requirements of the noise reduction implementations.