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Kondensations- und Fouling-Analysen in AGR-Kühlern 

Sich verschärfende Abgasgrenzwerte im maritimen Bereich führten in jüngster Zeit zur Untersuchung der Potenziale der Abgasrückführung in den Brennraum (AGR). In diesem Zusammenhang ist, um einen Leistungsabfall bzw. einen Kraftstoffmehrverbrauch der Motoren zu vermeiden, die Kühlung des rückgeführten Abgases zielführend. Herkömmliche, in PKW- und NKW-Motoren angewandte AGR-Kühlung vermeidet das Unterschreiten des Taupunktes des Säure-Wasser-Gemisches im Abgas. Das bedeutet minimale Temperaturen, mit denen das Abgas in den Brennraum zurückgeführt werden kann, von ca. 100…120 °C. Um die Potenziale der AGR in Hinsicht auf Stickoxid-Reduktion und Kraftstoff-Verbrauch auszuschöpfen, wird eine Kühlung unterhalb von 60 °C angestrebt. Bei dieser sogenannten Niedertemperatur-AGR-Kühlung kommt es zu einem Ausfall säurehaltigen Kondensats. Verschärft wird die Problematik durch den Einsatz stark schwefelhaltiger Kraftstoffe in der internationalen Schifffahrt. Durch den hohen Taupunkt der Schwefelsäure kommt es zu einer starken Anhebung des Taupunkts des Gemisches aus Wasser und den verschiedenen im Abgas vorhandenen anorganischen (H2SO4, HNO3) und organischen Säuren sowie unverbrannten Kohlenwasserstoffverbindungen. Bereits kleinste Schwefelsäurekonzentrationen im Abgas können eine Kondensation bei Wandtemperaturen oberhalb von 100 °C (bei p = 1 bar) bewirken. Zusätzlich wird die Verschmutzung der Kühler-Oberflächen bei geringen Kondensatmassenstromdichten forciert.

Um diese Zusammenhänge in AGR-Kühlern für Schiffsmotoren zu quantifizieren, wurde ein Komponentenprüfstand aufgebaut, der es ermöglicht, skalierte Kühler in den Abgasstrang eines PKW-Dieselmotors zu applizieren. Durch Variation sowohl der gas- als auch der kühlmittelseitigen Randbedingungen konnten verschiedene Szenarien in Hinblick auf Verschmutzungsneigung und Kondensationsverhalten untersucht werden.

Die Ergebnisse der Versuche zeigten ausgeprägte Fouling-Regime, die sich direkt mit der Kondensatmassenstromdichte korrelieren lassen. Insbesondere ist das Fouling bei Gastemperaturen im Bereich von 60…100 °C derart ausgeprägt, dass ein Betrieb des Motors mit AGR durch die Verstopfung des Kühlers nicht möglich ist. Abhilfe schaffen kann hier eine Wassereindüsung vor Kühler, die außerdem den Kühleffekt verstärkt und Baugröße einsparen hilft. Abbildung 1 zeigt einen verschmutzten Rippenrohrkühler nach 15 h stationärem Dauerbetrieb.

Abb. 1: Fouling in einem AGR-Kühler nach 15 h Dauerlauf mit schwefelhaltigem Kraftstoff

Darüber hinaus ist es notwendig die Abgastautemperatur für verschiedene Randbedingungen (Kraftstoffschwefelgehalt, Verbrennungsluftverhältnis, Abgasdruck, etc.) präzise zu bestimmen. Da Wasser und Schwefelsäure die Hauptbestandteile des Kondensats bilden, wurde für dieses System ein Aktivitätskoeffizientenmodell parametriert, mit dessen Hilfe der Taupunkt des binären Dampfgemisches (und somit auch des Abgases) bestimmt werden kann.

Abbildung 2 zeigt für verschiedene Abgasdrücke die berechneten Tautemperaturen im Kühler in Abhängigkeit vom Verbrennungsluftverhältnis bei einem Kraftstoffschwefelgehalt von 1000 mg/kg. Unterschreitet die Wandtemperatur im Kühler die Abgastautemperatur kommt es zum Ausfall von Kondensat. Da bei der gekühlten AGR im Allgemeinen Wandtemperaturen unterhalb von 100°C realisiert werden, ist in allen dargestellten Fällen mit Kondensation zu rechnen.

Abb. 2: Berechnete Tautemperatur eines dieselmotorischen Abgases bei 1000 ppm Schwefel

Kondensationsvorgänge im Kühler können sich mitunter stark auf den Wärmeübergang und damit auf die Effizienz des Kühlers auswirken. Aus diesem Grund ist bei der Auslegung von AGR-Kühlern  im Niedertemperaturbereich die Modellierung der Kondensation sowie deren Effekte unerlässlich. Ein erster Schritt besteht dabei darin, die ausfallenden Kondensatmassenströme sowie deren Säuregehalt zu bestimmen. Zu diesem Zweck wurde ein neues Modell entwickelt, welches in Abhängigkeit von den Randbedingungen die im Kühler ausfallenden Wasser- und Schwefelsäuremassenströme berechnet. Aus Abbildung 3 wird qualitativ die Abhängigkeit des Gesamtkondensatstroms von der Wandtemperatur ersichtlich. Signifikant ist ein steiler Anstieg des Stroms nach Unterschreitung des Wassertaupunkts.

Abb. 3: Berechneter Kondensatmassenstrom an die Wand eines AGR-Kühlers

M. Reißig, A. Hoppe, B. Buchholz, E. Hassel, Condensation-Fouling Interaction in Low-Temperature EGR-Coolers, Transport Phenomena in Multiphase Systems, 30 June – 03 July 2014, Krakow, PL

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