Forschungsziele

Die obige Abbildung stellt links einen von der Fa. MAHLE Behr aktuell in Serie produzierten Flachrohr-Wärme­übertrager dar. Dieser wird im Automobil zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und zur Kühlung des Motorkühlmittels eingesetzt. Die Strukturierung der Oberflächen der einzel­nen Flachrohre (siehe Abb. 1 rechts) des Wärmeübertragers wird momentan auf Basis um­fang­reicher Versuchsreihen und gezielter Simulationen entwickelt. Dieses Vorgehen hat sehr weit optimierte Profile hervorgebracht, stößt aber wegen des hohen Aufwands auch an Grenzen. Zur Verminderung des experimentellen Aufwands und zur Verbreiterung der Parameterräume sind daher umfassender validierte Simulationsmodelle erforderlich. Die Entwicklung, die wissenschaftliche Fundierung und die experimentelle Validierung solcher Simulationsmodelle mit gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhter Vorhersage­genauigkeit sind Ziele dieses Forschungsprojekts.  

                                      Abb. 1: Flachrohrwärmeübertrager und einzelnes Flachrohr (mit passiven Einbauten)

Experimentelle Bestimmung von Wärmeübergang und Druckverlust

Anhand eines spezifischen Prüfstands werden Wärmeübergang und Druckverlust in den Wärmeübertragerrohren unter realen Betriebsbedingungen bestimmt. Die Messstrecke bzw. die Randbedingungen im Experiment sind kompatibel zu einer CFD-Methodik konzipiert. Es wird untersucht, in welchen Betriebsbereichen (Re, Pr) laminare oder turbulente Strömungen vorliegen und auf welche Art und Weise die Wärmeübertragung statt findet.

                       Abb. 2: Fotoaufnahmen der Versuchsanlage

Mit Hilfe einer anhand dieser experimentellen Ergebnisse validierten CFD-Methodik ist es möglich die Form solcher passiven Einbauten in den Flachrohrkanälen zu verändern. Zudem können neu entwickelte neuartige Flachrohrprofile (neuartige Form und Anordnung passiver Einbauten) als Messstrecke hergestellt und in den bestehenden Prüfstand eingebaut werden. Ziel der Untersuchungen ist es durch eine sinnvolle Kombination der zahlreichen Einflussparameter (Anpassen der Form, Abstand, Größe,… der passiven Einbauten) den Wärmeübergang und Druckverlust gezielt beeinflussen zu können und somit leistungsfähigere Flachrohrwärmeübertrager entwickeln zu können. Die Vorhersagegenauigkeit von Wärmeübergang und Druckverlust soll durch die Ableitung von geeigneten Korrelationen erhöht werden.
Ziel der experimentellen Untersuchungen ist es zunächst die Wirkung der aktuell in der Industrie verwendeten passiven Einbauten auf Wärmeübergang und Druckverlust zu klären. Die Ergebnisse werden mit denen im durchströmten Flachrohrkanal ohne passive Einbauten verglichen. Auf dieser Basis kann unter Definition der gewünschten Effizienzsteigerung (z.B. erhöhter Wärmeübergang bei gleichbleibendem Druckverlust, oder gleichebleibender Wärmeübergang bei geringerem Druckverlust) die Gestalt, Anzahl, Abstand,... solcher passiver Einbauten spezifisch gestaltet werden und somit die Effizienz des Wärmeübertragers individuell gesteigert werden.

Abb. 3: Experimentelle Ergebnisse der Nusselt-Zahl Nu und des Reibungsbeiwerts f im Flachrohrkanal mit und ohne passive Einbauten und eines mit Hilfe der CFD entwickelten neuartigen Kanals

Abbildung 3 stellt die experimentellen Ergebnisse des Wärmeübergangs im glatten und im wingletierten Flachrohrkanal, als auch in Flachrohrkanälen mit neuartigen passiven Einbauten, welche bereits experimentell charakterisiert wurden dar. Auf Basis solcher integralen Betrachtungen des Wärmeübergangs kann eine CFD-Methodik validiert werden und mit Hilfe dieser lokale Phänomene näher untersucht werden. Diese neuartigen Kanäle wurde mit Hilfe der CFD-Methodik entwickelt, was eine Parametervariation degeometrischen Ausformung und Anordnung der passiven Einbauten zu Grunde legt.

CFD-Simulation der Strömung und des Wärmeübergangs

Für die Weiterentwicklung heutiger, bereits sehr ausgereifter Wärmeübertrager, müssen geeignete Simulationsmethoden entwickelt und stetig verbessert werden. Durch eine hinreichend genaue Validierung der CFD-Simulation mittels experimenteller Ergebnisse ermöglicht die Simulation die Darstellung von Strömungsphänomenen, die durch die alleinige Verwendung von Messergebnissen nicht zugänglich wären. Zudem stellt die CFD-Simulation eine ausgezeichnete Möglichkeit dar, den Einfluss unterschiedlicher Parameter der Oberflächenprofile vorherzusagen. Hierzu werden die CFD-Werkzeuge OpenFOAM  und OpenSCAD  verwendet.

                                     Abb. 4: Bash-Skript basierte automatisierte CFD-Methodik

Die Gestaltung des Oberflächenprofils, der Form und der Anzahl der passiven Einbauten, ist auf viele unterschiedliche Arten möglich, so dass sich durch eine geschickte Wahl der einzelnen Einflussfaktoren Optima bezüglich eines gesteigerten Wärmeübergangs und eines niedrigen Druckverlusts ergeben können. Im Projekt wird die Software OpenSCAD verwendet um den Flachrohrkanal mit unterschiedlichen passiven Einbauten zu besetzen. Im Anschluss wird die Strömung und der Wärmeübergang eines Wasser-Glykol-Gemischs durch diese Kanalgeometrie mit OpenFOAM simuliert. Zur Bewältigung der Gestaltungs- und Anonrdnungsvielfalt der passiven Einbauten wurde die CFD-Methodik mit Hilfe von Bash-Skripten automatisiert aufgebaut. Abb 4. stellt dies schematisch dar.

Optischer Zugang zum Strömungsfeld über PIV Messtechnik

Zur Visualisierung von Geschwindigkeitsfeldern im Flachrohrkanal kann neben der CFD-Methodik ein optischer Zugang über PIV-Messungen erfolgen. Hierbei wird der Einfluss unterschiedlicher passiver Einbauten mit Hilfe einer Kamera bildlich erfasst, indem die der Strömung Nanopartikel, welche von einem Laser belichtet werden, zugesetzten werden. Die Partikel folgen der Strömung schlupffrei, wodurch durch die Aufnahme von zwei Bildern ein Rückschluss auf das Geschwindigkeitsfeld der Strömung möglich wird. Diese Daten können zur weiteren Validierung der CFD-Methodik heran gezogen werden.

          Abb. 5: Prüfstand zur Visualisierung des Geschwindigkeitsfelds einer Strömung über passive Einbauten per Particle Image Velocimetry (PIV)