Numerische Berechnung von Plattenwärmeübertragern

Wirbelstrukturen

Im Rahmen des Kooperationsprojektes werden die Strömungsstrukturen und Temperaturverteilung im Plattenwärmeübertrager mit runder Bauform numerisch berechnet. Mit der breiten Variation von geometrischen Parametern der Oberflächenstrukturen in Kombination mit einer geeigneten Anströmung im runden Wärmeübertrager wird deren direkte Wirkung mittels numerischer Simulation im Rahmen des CFD (Computational Fluid Dynamics) Verfahrens sowie durch Modellversuche an der TU Berlin ermittelt. Die Erkenntnisse der Wirkmechanismen und Zusammenhänge stellen die Wissensbasis für die Entwicklung neuer Methoden zur schnellen Feststellung der gesamten Wärmeleistung und den sich einstellenden hydraulischen Verlusten dar. Für die Berechnung der Strömungs- und Temperaturfelder werden sowohl stationäre als auch instationäre Verfahren eingesetzt (RANS; hybride RANS-LES, LES) eingesetzt. Die zeitaufgelösten Simulationen auf mehreren hundert Prozessoren ermöglichen einen detaillierten Einblick in die Strömungsphysik und den Wärmeübergang. So können Ableitungen zur Verbesserung der Strömungsführung sowie Bereiche mit geringen Wärmeübergängen identifiziert und konstruktiv verbessert werden. Die Modellierung des Wärmeübergangs erfolgt auf Basis von Conjugate-Heat-Transfer Verfahrens (CHT), daher der gekoppelten Berechnung zwischen der kalten und warmen Fluidseite. Folglich kann der Einfluss der Wirbelstrukturen auf den Wärmeübergang direkt in der Zeit analysiert werden. Die detaillierten Simulationen bilden den Ausgangspunkt für die Modellierung des Wärmeübertragers mittels porösen Medien. Mit Hilfe der Kennwerte von Druckverlust und Wärmeübergang einer einzelnen Platte aus den detaillierten Berechnungen lassen sich die Koeffizienten für z.B. den Druckverlust (Darcy-Forchheimer) bestimmen. Somit besteht die Möglichkeit eine Gesamtkonfiguration des Wärmeübertragers zu berechnen. Einflussgrößen wie z.B. Anströmunggeschwindigkeiten der einzelnen Plattenkanäle können folglich berechnet werden, um Fehlverteilungen zu vermeiden.