Beiträge zur Erhöhung der Effektivität von Lamellenrohr-Wärmeübertragern

Karmo, Diala

Die Anforderungen an die Verwendung hocheffizienter Komponenten in Kälte- und Klimaanlagen nehmen ständig zu, wobei Energieeffizienz, geringer Material- bzw. Platzbedarf angestrebt werden. Eine Erhöhung der Leistung oder eine Reduzierung des Volumens von Wärmeübertragern haben einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der Gesamtanlage. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich daher auf die Entwicklung neuer Methoden zur effektiven Auslegung von Lamellenrohr-Wärmeübertragern. Dabei verbessert sich die Wärmeübertragung, ohne dass sich die Abmaße des Wärmeübertragers, der Material- und Energieverbrauch vergrößern. Durch eine Recherche über vorhandene interessante Entwicklungsmethoden und die Durchführung von Voruntersuchungen sind Schlussfolgerungen zu ziehen, die als Basis für neue Auslegungsmethoden verwendet werden. Ausgehend davon werden zwei innovative Hauptauslegungen entwickelt. Zur Bewertung der Eigenschaften der entwickelten Modelle werden Einflussgrößen, vor allem die Wärmeübertragungswerte, Druckverluste und die Energieeffizienz berücksichtigt. In diesem Zusammenhang werden anhand eines typischen Wärmeübertragers adäquate neue Modelle ausgelegt, die numerisch und zum Teil experimentell untersucht werden. Durch additive Fertigungsverfahren werden dazu zwei Exemplare für ein konventionelles und ein neu entwickeltes Modell modelliert, hergestellt bzw. untersucht.

The requirements for the use of highly efficient components in refrigeration and air-conditioning equipment are constantly increasing, with the aim of achieving a high energy efficiency as well as low space and material requirements. Here, one of the essential components is the finned-tube heat exchanger. An increase in performance or a reduction in the volume of heat exchangers has a large influence on the properties of the overall equipment. Previous publications in this area show that the effectiveness of the heat transfer surfaces could be improved only slightly or it could not be improved at all. Therefore, the present work focuses on the development of new methods for an effective design of finned-tube heat exchangers. The aim is to enhance the heat transfer without increasing the dimensions of the heat exchanger, the material and energy consumption. By researching into already existing, interesting development methods and by conducting preliminary investigations conclusions can be drawn which are used as the basis for the new design methods. Based on that, two main innovative designs will be developed. The newly developed methods will be described in such a way that the conventional models are efficiently designed through a number of systematic steps. On the one hand, the first design (offset arrangement of the fins) allows an improved turbulence and a slight increase in air speed between the fins. On the other hand, in addition to that, the second design developed (zigzag shape), should ensure a larger contact surface (elliptical) between the fins and the tubes. To evaluate the properties of the developed models, the heat transfer rate, pressure drop, performance factor, consumption of materials and energy efficiency are mainly considered. In this connection, new adequate models are designed on the basis of typical heat exchanger, which will then be examined numerically and partially experimentally. By means of additive manufacturing processes, two prototypes of a conventional and a developed model are designed, manufactured and examined. Keywords: finned-tube heat exchanger, zigzag shape, offset arrangement of fins, performance factor, heat transfer, pressure drop, manufacturing processes, mate¬rial consumption, power requirement, experimental and numerical investigations.

Die Anforderungen an die Verwendung hocheffizienter Komponenten in Kälte- und Klimaanlagen nehmen ständig zu, wobei Energieeffizienz, geringer Material- bzw. Platzbedarf angestrebt werden. Eine der wesentlichen Komponenten stellt dabei der Lamellenrohr-Wärmeübertrager dar. Eine Erhöhung der Leistung oder eine Reduzierung des Volumens von Wärmeübertragern haben einen großen Einfluss auf die Eigenschaften der Gesamtanlage. Die bestehenden Veröffentlichungen in diesem Bereich zeigen jedoch, dass die Effektivität der Wärmeübertragungsoberflächen nur geringfügig oder gar nicht verbessert werden konnten. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich daher auf die Entwicklung neuer Methoden zur effektiven Auslegung von Lamellenrohr-Wärmeübertragern. Dabei sollte die Wärmeübertragung verbessert werden, ohne dass sich die Abmaße des Wärmeübertragers, der Material- und Energieverbrauch vergrößern. Durch eine Recherche über vorhandene interessante Entwicklungsmethoden und die Durch-führung von Voruntersuchungen sind Schlussfolgerungen zu ziehen, die als Basis für neue Auslegungsmethoden verwendet werden. Ausgehend davon werden zwei innovative Hauptauslegungen entwickelt. Die neu entwickelten Methoden werden so beschrieben, dass konventionelle Modelle nach systematischen Schritten effektiv ausgelegt werden können. Einerseits ermöglicht die erste Auslegung (Lamellenversetzung) eine verbesserte Turbulenz und eine leichte Erhöhung der Luftgeschwindigkeit zwischen den Lamellen, andererseits sollte die zweite entwickelte Auslegung (Zickzackform) zusätzlich dazu eine größere Kontaktfläche (ellipsenförmig) zwischen den Lamellen und Rohren garantieren. Zur Bewertung der Eigenschaften der entwickelten Modelle werden hauptsächlich die Wärmeübertragungswerte, Druckverluste, Leistungskennzahlen, Materialverbräuche und die Energieeffizienz berücksichtigt. In diesem Zusammenhang werden anhand eines typischen Wärmeübertragers adäquate neue Modelle ausgelegt, die numerisch und zum Teil experimentell untersucht werden. Durch additive Fertigungsverfahren werden dazu zwei Exemplare für ein konventionelles und ein neu entwickeltes Modell modelliert, hergestellt bzw. untersucht.

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Karmo, Diala: Beiträge zur Erhöhung der Effektivität von Lamellenrohr-Wärmeübertragern. Ilmenau 2016. Universitätsverlag Ilmenau.

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