Bachelorarbeit Michael Sietmann

 

Effizienzsteigerung von Ventilator-Wärmeübertrager-Konfigurationen mittels CFD-Simulation

Die Kombination von Wärmeübertragern und Ventilatoren findet aufgrund ihrer breiten Anwendbarkeit in der Klimatechnik eine große Verwendung. So ist der Lamellenrohr-Wärmeübertrager eine wichtige Komponente von z.B. Luft-Wasser-Wärmepumpen, Rückkühlwerken, Umluftkühlgeräten usw. Im Fall einer Luft-Wasser-Wärmepumpe wird dieser Wärmeübertrager dazu eingesetzt, der Umgebungsluft Wärme zu entziehen und diese an einen Kältemittelkreislauf weiterzuleiten. Er kann jedoch auch wie in Rückkühlwerken zur Kühlung eines Fluidkreislaufes genutzt werden. Häufig werden diese Wärmeübertrager mit Axialventilatoren kombiniert, um durch erzwungene Konvektion die Wärmeübertragung zu erhöhen. Um die beispielhaft genannten Geräte profitabler zu machen, sind eine Weiterentwicklung sowie eine Steigerung der Effizienz von Lamellenrohr- Wärmeübertragern sinnvoll. In dieser Arbeit soll daher der Lamellenrohr-Wärmeübertrager in Kombination mit einem Ventilator mittels CFD-Simulation genauer untersucht werden. Aufgrund der unterschiedlichen Querschnitte eines kreisförmigen Strömungsquerschnitts des Ventilators kombiniert mit einem rechteckigen Wärmeübertrager ist zu erwarten, dass die Durchströmung des Wärmeübertragers nicht optimal ist. Das primäre Ziel dieser Arbeit besteht darin, bei der Ventilator- Wärmeübertrager-Konfiguration durch CFD-Simulation des Ist-Zustandes Verbesserungspotentiale aufzuzeigen und für diese verschiedene geometrische Konzepte zur Steigerung der Effizienz zu entwickeln. Dafür werden in einer Simulation eines Referenzmodelles Referenzdaten ermittelt, die im Vergleich mit den entwickelten Konzepten Rückschlüsse auf die Effizienzsteigerung der neuen Konzepte ermöglichen. Als Beispiel für eine Wärmeübertrager-Ventilator-Kombination dient in dieser Arbeit ein Trockenrückkühler. Neben eigenen Konzepten für das Trockenrückkühlergehäuse werden Parameterstudien zu geometrischen Eigenschaften des Trockenrückkühlers, wie dem Radius auf der Abströmseite des Wärmeübertragers, dem Radius an der Anströmseite des Wärmeübertragers und der vertikalen Position des Wärmeübertragers innerhalb des Trockenrückkühlers, durchgeführt und deren Effekt auf die Strömung und Wärmeübertragung analysiert. Des Weiteren soll im Zuge der Simulation herausgestellt werden, ob der Lamellenrohr-Wärmeübertrager als poröses
Medium dargestellt und simuliert werden kann. Als Grundlage für die Bewertung der Simulationen werden die graphische Auswertung der Simulation, der Druckabfall über den Wärmeübertrager, Daten zu Strömungsgeschwindigkeiten sowie ein Wärmeübertragungsmodell herangezogen, das auf Funktionen beruht, die im Rahmen dieser Arbeit programmiert werden. Um die Simulationsergebnisse validieren zu können werden sie mit bereitgestellten Messdaten und Referenzdaten verglichen.