The aftertreatment techniques introduced to follow the emission legislations require a constant improvement process to comply with the gradually more stringent demands. SCR is the system used nowadays to deal with NOx emissions in most heavy-duty vehicles. An aqueous-urea solution, AdBlue, is sprayed into the evaporation unit, where urea should decompose to ammonia, the reducing agent. This is a critical step because the NH3 amount available heavily affects the final nitrous oxides reduction to nitrogen. Moreover the urea decomposition’s sides reactions are likely to occur, forming deposits that increase the pressure drop and in a certain time period could even foul the system. The evaporation module used in the silencer for Scania trucks equipped with V8 engines consists of a pipe in pipe configuration made in stainless steel 1.4509, where the exhaust gases flow heating up the inner pipe finned on its outer surface. The AdBlue is sprayed on the inner pipe’s inner surface, creating a wall film and cooling down the tube. The production of the evaporation pipe however involves a costly manufacturing process, being made of 144 flanges laser welded on a 0.355 m length, for a total of more than 52 m of welding. The goal of this thesis is to analyse the heat transfer from the exhaust gases to the pipe and how to improve it, in order to achieve a lower temperature drop on the pipe due to the AdBlue dosing, reducing at the same time the risk of building up deposits. The application of different materials for the evaporation unit is also considered. Furthermore many manufacturing processes are evaluated as a cost-effective alternative to the current one. Although the operating points have a wide range of variation, the analysis is focused on the worst conditions for urea evaporation which are low mass flow and low flow temperature. Stainless steel is the best trade-off between cost, thermal conductivity and corrosion resistance but the much higher conductivity of copper alloys would justify the investigation of a copper evaporation pipe coated with stainless steel. Different designs of the heat flanges are assessed, first with correlations and FEA and then through a CFD analysis, where 62 different solutions are compared. The fins height results to be the most influencing parameter, requiring an increment from 7.5 mm to 11 mm to improve the heat transfer performances of the evaporation unit. The gap between each fin is also important, leading to a flanges quantity reduction suggestion. With the current fin design and half of the number of flanges, 11 mm high, the performances would improve by almost 40% (at 800 kg/h and 300℃). Furthermore both the Abstract pipe thickness and thermal conductivity are affecting the temperature drop, with different weight depending on the design and the operating point. It is however always advantageous to use a thicker wall and a material with a higher thermal conductivity. Lastly the tests performed on the specifically developed test rig show a good accordance with the simulations in comparing different materials but are not suitable to compare finned designs. / Avgasefterbehandlingssystem har utvecklats för att reducera utsläppen ifrån lastbilar, och det är ett lagkrav att en lastbil ska ha ett efterbehandlingssystem. Lagkraven för avgasemissioner skärps gradvis, vilket resulterar i att efterbehandlingssystemet ständigt måste förbättras och utvecklas för att möta de nya lagkraven. I de flesta heavy-duty-lastbilar som säljs på Euro 6 marknader är ett SCR-system installerat ihop med ljuddämparen för att hantera NOx-utsläppen. En vätska kallad AdBlue, det vill säga Urea, sprayas in i efterbehandlingssystemet där det förångas. Urea är en vätska baserad på bl.a. urinämne som utsöndras till ammoniak, vilket sedan fungerar som reduceringsmedel. Ett viktigt steg i reduktionsprocessen av kväveoxiden är när ammoniak reagerar med NOx och omvandlas till kväve och vatten. Det är mängden ammoniak som bestämmer det slutliga resultatet av kväveoxidreduktionen. Om urean inte är tillräckligt uppblandad med avgaserna bildas avlagringar utmed flödeskanalen. Detta ökar tryckfallet, vilket i sin tur leder till ökad bränsleförbrukning, avlagringarna kan över tid även skada efterbehandlingssystemet. Förångningsmodulen som används i Scanias ljuddämpare (kallad large), utvecklad för V8-motorer, består av en rör-i-rör konfiguration. Rören tillverkas i rostfritt stål 1.4509 och när AdBlue sprayas på insidan av innerröret bildas en film av urea som förångas när den möter rörets varma väggyta. För att uppnå en varm förångningsyta leds en delmängd av avgaserna om på utsidan av innerröret för att bibehålla hög temperatur på röret och undvika nedkylning av urean. Förångningsrörets nuvarande design består av 144 utvändiga värmeflänsar (med längden 0,355 m) som lasersvetsas fast på röret. Designen medför en dyr och komplicerad tillverkningsprocess. Den totala längden svets uppgår till 52 m. Syftet med examensarbetet är att analysera och förbättra värmeöverföringen från avgaserna till röret för largeljuddämparen. En förbättrad värmeöverföring skulle leda till att temperaturfallet som uppkommer på grund av AdBlue-doseringen blir lägre. Ett lägre temperaturfall skulle då leda till en minskad risk för avlagringar. I studien undersöks olika material och tillverkningsmetoder för att eventuellt reducera tillverkningskostnaden av förångningsenheten med bibehållen eller förbättrad prestanda. Driftfallen har ett brett spektrum där mängden energi (överförd värme) varierar och studien är inriktad på de värsta förhållandena för urea-utsöndring, dvs. ett lågt massflöde och låga flödestemperaturer. Rostfritt stål har bra korrosionsbeständighet och tämligen bra värmeledningsförmåga i kombination med ett rimligt pris. Kopparlegeringar har en mycket högre värmeledningsförmåga än rostfritt stål, vilket motiverar en undersökning av förångringsrör tillverkade i kopparlegering belagda med rostfritt stål. I studien undersöks olika utformning av värmeflänsar, både genom FEA och CFD-analyser, där 62 olika utformningar har tagits fram och jämförs. Flänsarnas höjd visade sig vara den parametern som påverkar temperaturfallet mest. En ökning från 7,5 mm till 11 mm av flänstoppens höjd gav en kraftig förbättring av förångningsenhetens värmeöverföringsförmåga. En annan viktig faktor visade sig vara avståndet mellan flänsarna. Med dagens flänsutformning, men med en utökad höjd till 11 mm, skulle man uppnå en förbättrad prestanda med nästan 40 % (vid 300℃ och 800 kg/h) om man dessutom minskade antalet flänsar med hälften. Beroende på design och driftspunkt är rörtjockleken och materialets värmeledningsförmåga andra faktorer som påverkar temperaturfallet. Det är dock oftast fördelaktigt med en tjockare rörvägg och ett material med högre värmeledningsförmåga. Flera prototyper med olika utformning har testats fysiskt i en specialtillverkad testrigg. Slutresultatet påvisade en bra korrelation med simuleringarna vid jämförelse av olika materialval, men det fysiska testet hade svårare att hantera geometrisk utformning på flänsarna.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-209417 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Antoniotti, Mattia |
| Publisher | KTH, Maskinkonstruktion (Inst.) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | MMK 2017 MKN 201 |
Page generated in 0.0035 seconds