Theoretische und experimentelle Untersuchung des Wärmeübergangs an berippten Rohren unter Naturkonvektion

In dieser Diplomarbeit werden experimentelle Untersuchungen zum Wärmeübergang an berippten Rohren unter Naturkonvektion bei unterschiedlichen Randbedingungen durchgeführt und ausgewertet. Kernthema dieser Arbeit ist der Einfluss des Rippenabstandes und des Neigungswinkels eines ovalen Rohres bei glatten Rippen und bei Stiftrippen. Untersucht werden Rippenrohre mit einem Rippenabstand von 6 mm, 11 mmund 16 mm. Der Einfluss des Neigungswinkels der Rohre wird bei 0° (horizontale Ausrichtung), 20°, 30° und 40° analysiert. Dafür wird die äußere Rippenrohroberfläche auf 30 °C bis 90 °C (in 10 °C Schritten) erwärmt. Die Oberflächentemperatur der Rippe wird durch Thermoelemente, die an verschiedenen Positionen befestigt sind, gemessen. Daraus lassen sich der Wärmeübergangskoeffizient und der Rippenwirkungsgrad als signifikante Parameter berechnen. In dieser Arbeit wurden folgende Erkenntnisse gewonnen. Das Anwinkeln des Rohres hat keine signifikanten Auswirkungen auf den Wärmeübergangskoeffizienten. Ein Neigungswinkel von 30°weist dabei die beste Performance auf. Eine Vergrößerung des Wärmeübergangskoeffizienten um 14% ist möglich. Die Verwendung von Stiftrippen zeigt keine größeren Werte für den Wärmeübergangskoeffizienten. Lediglich die Rippenrohre mit größeren Rippenabständen verbessern den konvektiven Wärmeübergang. Durch einen Abstand von 16mm kann der Wärmeübergangskoeffizient um bis zu 100 % gegenüber einem Rohr mit einem Rippenabstand von 6 mm gesteigert werden. Der Rippenwirkungsgrad ist am kleinsten, wenn der Rippenabstand am größten ist. Eine Verschlechterung um 25 % ist möglich. Die größten Rippenwirkungsgrade werden bei einem Neigungswinkel von 40° erreicht. Dies gilt sowohl für die Stiftrippe als auch die Glattrippe. Die Untersuchungen liefern einen Beitrag für das Verständnis von Auswirkungen geometrischer Veränderungen an Rippenrohren auf den luftseitigen Wärmeübergang. In Zukunft können diese Erkenntnisse genutzt werden, um die Effizienz von luftgekühlten Wärmeübertragern zu steigern.

This diploma thesis considers the natural convective heat transfer on finned tubes under different boundary conditions. Object of this study is the influence of the fin spacing and the angle of inclination of an oval tube with plain fins or with pin-fins. Finned tubes with a fin spacing of 6mm, 11 mm and 16 mmare examined. The inclination angle of the tubes is evaluated at 0°(horizontal alignment), 20°, 30° and 40°. For that purpose, the finned tubes are heated up between 30 °C and 90 °C in increments of 10 °C. At different position on the fins thermocouples are located to measure the surface temperature. The heat transfer coefficient and the fin efficiency are significant parameters, which can be calculated from the measured temperatures. The increase of the inclination angle has little effect on the heat transfer coefficient. The highest performance improvement has been observed at an inclination angle of 30°, which shows about 14 % enhanced heat transfer coefficient. Pin fins do not enhance the heat transfer coefficient. Finned tubes with larger fin spacing improve the convective heat transfer. The heat transfer coefficient can be enhanced up to 100 % for a spacing of 16mm compare to a tube with a fin spacing of 6 mm. Finned tubes with smaller fin spacing improve the fin efficiency, which can beenhanced up to 25% for a spacing of 6 mm compare to a tube with a fin spacing of 16 mm. The highest values for the fin efficiency have been observes at an inclination angle of40°. The research contributes to understand the effect of geometrical changes on the air-side heat transfer of finned oval tubes. These applications can be used to increase the efficiency of air-cooled heat exchangers in the future.