Modellbasierter Entwurf von Kühlsystemen für Brennstoffzellen in Verkehrsflugzeugen
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- Helmuth Baumgartner
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1 Modellbasierter Entwurf von Kühlsystemen für Brennstoffzellen in Verkehrsflugzeugen Vom Promotionsausschuss der Technischen Universität Hamburg-Harburg zur Erlangung des akademischen Grades Doktor Ingenieur genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Enno Vredenborg aus Hamburg 2015
2 1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Frank Thielecke Institut für Flugzeug-Systemtechnik Technische Universität Hamburg-Harburg 2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmitz Institut für Thermofluiddynamik Technische Universität Hamburg-Harburg Tag der mündlichen Prüfung: 29. September 2015
3 Schriftenreihe Flugzeug-Systemtechnik Band 3/2015 Enno Vredenborg Modellbasierter Entwurf von Kühlsystemen für Brennstoffzellen in Verkehrsflugzeugen Shaker Verlag Aachen 2015
4 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Zugl.: Hamburg-Harburg, Techn. Univ., Diss., 2015 Copyright Shaker Verlag 2015 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de
5 Danksagung Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Flugzeug-Systemtechnik an der Technischen Universität Hamburg-Harburg. Mein ganz besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Frank Thielecke. Seine Unterstützung, sein mir entgegen gebrachtes Vertrauen und die gewährten wissenschaftlichen Freiräume ermöglichten mir die Anfertigung dieser Arbeit. Die Zeit am Institut unter seiner Leitung war für mich eine ausgesprochen lehrreiche Erfahrung, die mir auch aufgrund der kollegialen Atmosphäre stets in sehr guter Erinnerung bleiben wird. Herrn Prof. Dr.-Ing. Gerhard Schmitz möchte ich an dieser Stelle für die Bereitschaft danken, das Zweitgutachten zu erstellen. Die inhaltlichen Grundlagen dieser Arbeit entstanden im Rahmen des Projektes Kabinentechnologie und Multifunktionale Brennstoffzelle in Zusammenarbeit mit der Airbus Operations GmbH. Meinem Projektpartner möchte ich nicht nur für den wissenschaftlichen Austausch danken, sondern auch für die ausgesprochen angenehme Zusammenarbeit. Stellvertretend möchte ich dabei Barnaby Law, Torsten Stengel, Jörg Tappermann und Guido Klewer nennen. Zudem möchte ich den Doktoranden weiterer beteiligter Universitäten an dieser Stelle danken. Aus der fachlichen Diskussion mit ihnen ergaben sich sehr viele interessante Denkanstöße. Ganz herzlich möchte ich mich bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie ehemaligen Kolleginnen und Kollegen am Institut bedanken. Dabei gilt mein Dank insbesondere Dr.-Ing. Hauke Lüdders, Jan Grymlas und Hendrik Strummel aus der Forschungsgruppe Elektrische Energieversorgung und Brennstoffzelle sowie Johannes Chodura aus der Forschungsgruppe Klimaund Kühlungssysteme. Weiter möchte ich mich für die freundschaftliche Verbundenheit bedanken, insbesondere bei Dr.-Ing. Kevin Poole, Matthias Krings, Christian Modest und Michel Kohlberg. Bei meiner Familie und meinen Freunden möchte ich mich für den Rückhalt und die Unterstützung bedanken. Ein ganz besonderer Dank gilt dabei meiner Freundin Verena Münstermann. Hamburg, im Oktober 2015 Enno Vredenborg
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7 Inhaltsverzeichnis Nomenklatur Formelzeichen Indizes... Abkürzungen... xi xi xv xvi 1 Einleitung Stand der Wissenschaft und Technik Entwicklung von thermischen Flugzeugsystemen Kühlung und Modellierung von Brennstoffzellensystemen Modellierung von Thermofluid-Systemen Zielsetzung und Herausforderung der Arbeit Struktur der Arbeit Beschreibung von thermischen Flugzeugsystemen Kühlsysteme für multifunktionale Brennstoffzellen Brennstoffzellen und deren thermische Lasten Kühltechnologien für Brennstoffzellen Betrieb und Wärmelasten des multifunktionalen Systems Systeme zur Kabinenklimatisierung und Bordkühlung Grundlagen der modellbasierten Entwicklung mit Modelica Struktur der Modellbibliothek Grundlegender Aufbau und ergänzende Modellbibliotheken Einsatz von objektorientierten Elementen Physikalische Grundlagen Dynamische Erhaltungsgleichungen Beschreibung von Druckverlusten Beschreibung von Wärmeübergängen vii
8 Inhaltsverzeichnis 4 Modellbildung von Komponenten und Fluiden thermischer Flugzeugsysteme Modellbildung der PEM-Brennstoffzellen Quasi-statisches Systemmodell der Brennstoffzelle Dynamisches Systemmodell der Brennstoffzelle Zellenmodell eines ausgewählten Brennstoffzellenstacks Konzepte zur Modellbildung von Wärmeübertragern verschiedener Bauart Modellbildung der eingesetzten Strömungsmaschinen Beschreibung von Kühlkreislaufkomponenten Modellbildung von Gasen, Flüssigkeiten und mehrphasigen Fluiden 66 5 Parameteridentifikation und Modellvalidierung Prüfstandsystem zur Messwertaufnahme Vorgehen bei der Modellvalidierung Validierung der Brennstoffzellenmodelle Stöchiometrie Druckverluste Thermisches Verhalten Temperaturverläufe Validierung des Kühlsystems Bewertung der Validierungsergebnisse Entwurf und Bewertung von neuen Kühlarchitekturen Randbedingungen und Anforderungen in Verkehrsflugzeugen Thermische Randbedingungen durch die Flugenvelope Sicherheits- und Zuverlässigkeitanforderungen Entwurf der Flüssigkühlsysteme Aufbau von Architekturen Parametrisierung der Systemmodelle Regelungsstrategien für eine Flüssigkühlung Entwurf der Verdampfungskühlsysteme Aufbau von Architekturen Auswahl eines Kälteträgers viii
9 Inhaltsverzeichnis Parametrisierung der Systemmodelle Regelungsstrategien für eine Verdampfungskühlung Simulationsbasierte Bewertung des Kühlsystemverhaltens Beschreibung der Simulationsmodelle Analyse und Vergleich der Kühlarchitekturen Thermische Flugzeugintegration Analyse der thermischen Flugzeugsysteme Wärmesenken in Flugzeugen Globale Sensitivitätsanalysen und statistische Versuchsplanung Durchführung einer thermischen Systemanalyse Zusammenfassung und Ausblick 151 A Ergebnisse der Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanalyse 157 Literaturverzeichnis 161 ix
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