W¨
armemanagement
im Automobilscheinwerfer
vorgelegt von:
Diplom-Ingenieurin
Ewa Ponca
aus Kozienice
von der Fakult¨
at III – Prozesswissenschaften
der Technischen Universit¨
at Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktoringenieur
- Dr.-Ing. -
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Matthias Kraume
1. Berichterstatter: Frau Prof. Dr. rer. nat. habil. Sabine Enders
2. Berichterstatter: Dr.-Ing. Stefan Danner
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 30.09.2010
Berlin 2011
D 83
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen der Kooperation zwischen der Technischen Uni-
versit¨
at Berlin und der Firma BMW Group.
Das Institut f¨
ur Prozess- und Verfahrenstechnik der Technischen Universit¨
at Berlin unter der
Leitung von Frau Prof. Enders besch¨
aftigt sich seit mehreren Jahren mit W¨
armetransportmecha-
nismen und thermodynamischen Prozessen.
Danksagung
An dieser Stelle m¨
ochte ich mich ganz herzlich bei all denjenigen bedanken, die zum Entstehen
und Gelingen dieser Arbeit beigetragen haben.
Ich bedanke mich besonders bei Frau Prof. Dr. rer. nat. habil. Sabine Enders f¨
ur das starke
Interesse an meiner Arbeit sowie der M¨
oglichkeit, meine Dissertation in ihrem Institut durchf¨
uhren
zu d¨
urfen. Frau Prof. Dr. rer. nat. habil. Sabine Enders m¨
ochte ich mich zus¨
atzlich f¨
ur all dies, was
im Rahmen einer Dissertation nicht selbstverst¨
andlich war, f¨
ur alles was sie f¨
ur mich getan hat
und f¨
ur das Vertrauen, welches sie in mich gesteckt hat, ganz herzlich bedanken.
Ich danke meinen Betreuern Dr.-Ing. Stefan Danner, Dr.-Ing. Martin Pinsker und
Dr.-Ing. Katrin Ludwig f¨
ur die Fachdiskussionen, Ratschl¨
age und wertvollen Tipps im Lau-
fe meiner Arbeit. Besonders m¨
ochte ich Herrn Dr.-Ing. Stefan Danner meinen Dank aussprechen.
Mit seinem pers¨
onlichen Engagement hat er mir die Promotion bei der BMW Group Abteilung
Licht- und Sichtsysteme erm¨
oglicht.
F¨
ur die Unterst¨
utzung meiner Arbeit sowie f¨
ur die interessanten fachlichen Diskussionen be-
danke ich mich bei vielen Kollegen aus der Abteilung Licht- und Sichtsysteme, besonders bei
Herrn Dr. rer. nat. Helmut Erdl f¨
ur viel Geduld und f¨
ur seine Zeit. F¨
ur die Hilfe beim Aufbau
der experimentellen Anlage m¨
ochte ich Stefan Weissenb¨
ock sowie Stefan Klabl danken. Meiner
Arbeitskollegin Andrea Brandmeier danke ich f¨
ur die wertvollen Korrekturhinweise.
F¨
ur die freundliche Aufnahme im Institut f¨
ur Prozess- und Verfahrenstechnik kann ich mich
nicht genug bedanken. Hier habe ich nicht nur hilfsbereite Kollegen kennengelernt, sondern
auch Freunde. Ganz besonders m¨
ochte ich meinen Kollegen K. Poschlad, R. Abbas, K. Daniel,
J. Mamic, T. Zeiner und G. Ni˜no meinen Dank aussprechen.
Ich danke den Studenten, die durch ihre Arbeit eine sch¨
one Atmosph¨
are f¨
ur das wissenschaftli-
che Arbeiten gegeben haben: Ch. Betz und R. B¨
ohm. Ich danke Herr M. Stein f¨
ur die gemeinsamen
Messungen, die f¨
ur die Verifizierung mit den numerischen Methoden beigetragen haben. Ich be-
danke mich ganz herzlich bei Herrn Dr. T. Weber und Herrn Dr. M. Albers f¨
ur die Unterst¨
utzung
bei der numerischen Methodenentwicklung.
Ganz besonders m¨
ochte ich mich bei meinen ehemaligen Kollegen Dr. A. Ebert, Dr. C. Gießler,
Dr. S. Senin und Dr. J. Langebach bedanken. Die gemeinsamen Gespr¨
ache und Aktivit¨
aten halfen
mir, das Ziel nie aufzugeben. Mein besonderer Dank gilt meiner Familie und meinen Freunden,
besonders meinem Mann Marek, der mich in allen Etappen dieser Arbeit mit all seiner Kraft,
Lebensfreude und Ermutigung unterst¨
utzt hat.
Diese Arbeit widme ich meinem Vater, dessen gutes ”Bauchgef¨
uhl” mich auf diesen Weg geleitet
hat.
Abstract
The present work aims at predicting and highlighting the mechanisms leading to the undesired
water condensation in serial headlamps as well as investigating methods for hot spots reduction.
The headlamps under consideration are compact (less than 9l) with an esthetic volume distribution
and include different types of radiation sources: thermal, plasma and solid-state.
In doing so, thermal modeling of water condensation and transient simulation on real head
lamps (Volume 8-10l) using water film model is introduced. Theoretical investigation of the
temperature limits and the relative humidity leading to condensation trough a convection process
(3D steady state mode) are analyzed under the following conditions: constant temperature of the
housing (40 ◦C) and time-varying temperature of the outer-lens ranging (from 20 ◦C to -2 ◦C; (2
K/min)). Different values of the relative air humidity were considered (50 %, 70 % and 90 %).
The approaches to avoid water condensation and hot spots consisted in achieving a desired leakage
in the cover, anti-fog coating and integrating ventilation tube.
These approaches were tested using two types of serial headlamps applying a condensation cycle
for the simulation of the urban conditions. During this condensation cycle the thermodynamic
parameters, like relative air humidity and temperature, were measured at different places in the
head lamp and as function of time. The approach using the integrated ventilation tube proved
efficient in avoiding water condensation and reduce significantly the hot spot. The performances
of the anti-fog coating approach depends on the number of cooling cycles. However, the desired
leakage approach does not show any improvement.
On the contrary, the condensation of water is more pronounced then in the serial headlamp.
Optimization of thermal modeling of water film condensation and reducing transient simulation
time were on a simple 2D-geometry. The optimizing results of water film model and reduced
iteration time were used on real head lamp for 15 min. transient simulation of water condensation
process and 10min. transient simulation of water evaporation. With the optimization of the
iteration time for transient simulation, we could reduce time of the simulation of about 60% in
comparison to commercial solution software. The measurements comply in space and time with
the results of the numerical simulation. Key parameters for a best practice scenario that complies
with automotive constrains such as position of the sources and distance to the lens were identified.
The simulation method is integrated into the design workflow of a serial headlamp.
All in all, it is shown through this work how water condensation heat- and mass-transfer in
a compact headlamp are not only influenced by the velocity and temperature distribution in and
around the headlamp, but also by the water humidity around it.
Key words: CFD, water condensation, evaporation, defogging, heat- and mass-transfer,
radiation, headlamp, automotive
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Einleitung und Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Thermodynamische Grundlagen 5
2.1 Grundgleichungen der Thermofluiddynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Mechanismen des W¨
armetransportes ......................... 7
2.2.1 Konvektion und W¨
armeleitung ........................ 7
2.2.2 W¨
armestrahlung ................................ 10
2.3 Zustandsgr¨
oßenderfeuchtenLuft........................... 12
2.4 Kondensation ...................................... 14
2.4.1 Filmkondensation................................ 16
2.4.2 Tropfenkondensation .............................. 20
2.5 Navier-Stokes-Gleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 Thermomanagement im Automobilscheinwerfer 24
3.1 Besonderheiten im Automobilscheinwerfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.1 Maßnahmen zur Be- und Enttauung im Scheinwerfer . . . . . . . . . . . . 25
3.2 StanddesWissens ................................... 27
3.3 ¨
Ubersicht ........................................ 30
4 Experiment 32
4.1 Serienscheinwerfer.................................... 32
4.2 Messtechnik....................................... 32
4.2.1 Temperaturmessung .............................. 32
i
Loading more pages...