Experimentelle Untersuchung der Wärmeübertragung, des Druckverlustes und des Strömungsfeldes an ovalen Rippenrohren unter Variation des Anströmwinkels


Experimentelle Untersuchung der Wärmeübertragung, des Druckverlustes und des Strömungsfeldes an ovalen Rippenrohren unter Variation des Anströmwinkels

Unger, S.; Beyer, M.; Arlit, M.; Hampel, U.

Einleitung
Rippenrohrwärmeübertrager finden in vielen Bereichen der Industrie Anwendung, wie beispielsweise in der Klimatechnik, Kältetechnik, Kraftwerkstechnik und in chemischen Anlagen. Da ca. 90% des gesamten thermischen Widerstandes gasseitig auftreten, werden hier Oberflächenerweiterungen in Form von Rippen genutzt. Bei vielen Anwendungsfällen werden die Rippenrohrwärmeübertrager geneigt installiert, um den benötigten Bauraum zu reduzieren oder um ein Abfließen von Kondensat auf der Rohrinnenseite zu gewährleisten. Daher soll der Einfluss des Anströmwinkels auf die Wärmeübertragungsleistung und Strömungscharakteristik untersucht und beschrieben werden.

Messtechnik, experimenteller Aufbau und Durchführung
Die stationären Messungen wurden in einem ca. 6.5 m langen, senkrechten und transparenten Strömungskanal mit rechteckigem Querschnitt durchgeführt. Im Einströmbereich des Kanals befinden sich drei Sieb- sowie ein Wabengleichrichter zur Strömungsformierung an die sich eine Testsektion mit den zu untersuchenden Rippenrohren anschließt. Es wurden 3 Rippenrohre mit Rippenabständen von 6 mm,11 mm und 16 mm jeweils unter vier Anströmwinkeln (0°,20°,30° und 40°) untersucht. Die Strömung wurde durch einen Kompressor aufgeprägt und die mittlere Strömungsgeschwindigkeit zwischen 0,5 m/s und 3 m/s variiert. Die ovalen Rippenrohre wurden additiv aus 316L Edelstahl (Wärmeleitfähigkeit: 16.2 W/mK) gefertigt und sind durch Haltebuchsen an den Kanalwänden fixiert. Der Austausch von Haltebuchsen und dazugehörigen Kanalwänden ermöglichte die Positionierung der Rippenrohre mit den erforderlichen Winkeln. Im Inneren der Rippenrohre befinden sich drei elektrisch beheizte Heizpatronen. Um eine gute Wärmeleitung zum Rippenrohr zu gewährleisten, sind die Zwischenräume mit Kupferpulver ausgefüllt. Aus jeweils drei stromaufwärts und –abwärts angeordneten Thermoelementen wurde die mittlere Lufttemperatur bestimmt. Das radiale Temperaturprofil der Rippen wurde mithilfe von 12 Thermoelementen entlang der Rippenoberfläche vermessen, um den Rippenwirkungsgrad zu bestimmen. An senkrechten Bohrungen der Kanalwand unter- und oberhalb der Testsektion befinden sich die Anschlüsse der Differenzdruckmessung.
Zur Einstellung der stationären Versuchsrandbedingungen wurde die mittlere Oberflächentemperatur des Rippenrohres, durch Anpassung der elektrischen Leistung in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit konstant bei 60° C gehalten. Die Aufzeichnung der Messdaten erfolgte mit einer zeitlichen Auflösung von 1Hz. Ein Temperaturgittersensor wurde verwendet um in 16 Messstellen stromabwärts der Versuchsstrecke das Temperatur- und Geschwindigkeitsfeld mithilfe von Widerstandstemperaturmessung und thermischer Anemometrie zu bestimmen.

Ergebnisse
Die Messergebnisse zeigen einen deutlichen Anstieg des Wärmeübergangskoeffizienten mit größerem Rippenabstand. Hintergrund sind die Strömungsgrenzschichten, welche bei niedrigerem Abstand der Rippen schon früher stromabwärts zusammenwachsen und den Wärmeübergangskoeffizient reduzieren. Des Weiteren wurde festgestellt, dass bei einem Rippenabstand von 6 mm der Rippenwirkungsgrad am höchsten und bei 16 mm am kleinsten ist. Generell wurden höhere Temperaturen der Rippe im thermischen Nachlaufgebiet hinter dem Rohr sowie niedrigere Rippentemperaturen im Anströmbereich des Rippenrohres gemessen. Aufgrund der erhöhten Oberfläche ist bei 6 mm Rippenabstand der Druckverlust am höchsten, gefolgt von den Abständen 11 mm und 16 mm.
Durch einen erhöhten Anströmwinkel von 40° nimmt die Turbulenz entlang der Rippenoberfläche zu und der Wärmeübergangskoeffizient erhöht sich um 38 % bei 6 mm Rippenabstand gegenüber der senkrechten Anströmung. Der Druckverlust nimmt mit dem Anströmwinkel stark zu. Somit ist der Druckverlust in der 40° Position gegenüber der senkrechten Anströmung für 6 mm um den Faktor 3.23 größer.

  • Lecture (Conference)
    Jahrestreffen der ProcessNet Fachgruppen Mehrphasenströmungen (MPH), Wärme- und Stoffübertragung (WSUE) und Computional Fluid Dynamics (CFD), 06.-07.03.2018, Bremen, Deutschland

Permalink: https://www.hzdr.de/publications/Publ-27107
Publ.-Id: 27107