Kurzfassung

Das Projekt befasst sich mit der Verbesserung von Rauchrohr-Abgaswärmeübertragern, die in fast allen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen Anwendung finden. Die angestrebte flächeneffiziente Wärmeauskopplung vom Abgas über die Rohrwand in die kältere Flüssigkeit wird durch den hohen Wärmewiderstand zwischen Abgas und Rohrwand beschränkt. Ursachen hierfür sind die Stoffeigenschaften der Gase, sowie zahlreiche Strömungsparameter und die Oberflächenbeschaffenheit sowie die Kontur der Wand.
Das Vorhaben...Das Projekt befasst sich mit der Verbesserung von Rauchrohr-Abgaswärmeübertragern, die in fast allen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen Anwendung finden. Die angestrebte flächeneffiziente Wärmeauskopplung vom Abgas über die Rohrwand in die kältere Flüssigkeit wird durch den hohen Wärmewiderstand zwischen Abgas und Rohrwand beschränkt. Ursachen hierfür sind die Stoffeigenschaften der Gase, sowie zahlreiche Strömungsparameter und die Oberflächenbeschaffenheit sowie die Kontur der Wand.
Das Vorhaben hat zum Ziel statt Glattrohre Rohre mit geschickten Wandkonturen zu finden und diese sicher vorausberechnen zu können, die zugleich deutlich höhere Wärmestromdichten als Glattrohre aufweisen bei nur geringfügig erhöhten Druckverlusten und höherer Steifigkeit, so dass die Rohrwandstärken zur Materialersparnis verringert werden kann, all dies ohne die Verschmutzungsgefahr zu erhöhen.
Geeignet erscheinen unterschiedlichste Spiralrillenrohre, Querrillenrohren und Dellrohre, da ihre mikroskopische Rauigkeit derjenigen von Glattrohren entspricht, die Wandkontur jedoch wiederholt makroskopische Turbulenzen erzeugen kann, die den Wärmetransport durch Überführung von Stromlinien aus heißen Bereichen in kältere Bereich in Wandnähe befördert. Die zusätzlich erzwungenen Turbulenzen lassen erwarten, dass Rohrdimensionen existieren, die einen im Vergleich zu Glattrohren deutlich höheren gasseitigen Wärmeübertragungskoeffizienten aufweisen bei unerheblich höherem Druckverlust und im Idealfall gar selbstreinigenden Strömungseigenschaften. Dabei sollen die Verformungen gleichzeitig die längsseitige Steifigkeit erhöhen, dass es möglich sein kann, deutlich dünnere Wandstärken zu verwenden. Durch die Kaltverfestigung der Verformung und der Konturierung ist ein zusätzlicher positiver Effekt für die Handhabung dünnwandiger Rohre dann zu erwarten, wenn durch die Wahl der richtigen Geometriekombinationen bei Lagerung der Rohre und Berohrung der Bündel eine Verbiegung und ein Beulen der Rohrwand vermieden wird. Diese Zusammenhänge soll in der Hochschule Koblenz durch Finite Elemente Analysen und Mes-sungen im Werkstoffkundelabor untersucht und optimiert werden.
Wegen der Vielzahl möglicher Einflussparameter auf die für die Wärmeübertragung entscheidende Strömungs- und Temperaturgrenzschicht ist geplant, eine Auswahl typischer Bauformen von Spiralrillenrohren und Dellrohren in einem nicht-isothermen Rohrprüfstand hinsichtlich Wärmeübertragungseigenschaften und Druckverlust zu vermessen. Mit Hilfe von CFD-Rechnungen sollen aussichtsreiche Wandkonturen nachgerechnet werden. Dabei sollen in der Studie die Einflüsse der die Kontur bestimmenden Parameter wie Einprägekontur abhängig von der Rohrwandstärke, Einprägetiefe, Spiralwinkel, Rillenabstand sowie Strömungsparameter wie Reynoldszahl und Temperaturspreizung untersucht werden.
Die Turbulenz der Strömung im Rohr ist der für den Wärmeübergang maßgebliche Effekt. Als entscheidender Meilenstein auf dem Weg zur optimierten Rohrgeometrie muss ein Turbulenzmodell angepasst, weiterentwickelt oder neuentwickelt werden. Eine Validierung dieser Modellierung von Turbulenz durch experimentelle Versuche muss erfolgen, damit Druckverlust und Wärmeübergangskoeffizient erstmals verlässlich vorhergesagt werden können.
Feldmessungen von auszuliefernden Apparaten der APROVIS Energy Systems GmbH sollen die Mess- und Simulationsergebnisse validieren und verifizieren.
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