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OPTIMIERTER ENTWURF VONHOCHLEISTUNGSWRMEBERTRAGERN

Dissertationzur Erlangung des Grades

Doktor-Ingenieur

derFakultt fr Maschinenbau

der Ruhr-Universitt Bochum

vonEnder Tandogan

aus Istanbul, Trkei

Bochum 2001

Dissertation eingereicht am: 01.06.2001

Tag der mndlichen Prfung: 10.09.2001

Erster Referent: Prof. Dr.-Ing. W. Leiner

Zweiter Referent: Prof. Dr.-Ing. V. Scherer

Es ist nicht genug, zu wissen, man muss auch anwenden.Goethe, Wilhelm Meisters Wanderjahre

VORWORT

Die vorliegende Arbeit entstand als Dissertation in den Jahren 1998 bis 2001 wh-rend meiner Ttigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fr Thermo- undFluiddynamik der Ruhr-Universitt Bochum.

Die erste Anregung zu dieser Arbeit verdanke ich Herrn Prof. Dr. Nimai-Kumar Mitra,den wir im Oktober 1999 verloren haben. Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Leiner fr die anschlieende wissenschaftliche Betreuung der Arbeitund die zahlreichen kritischen Diskussionen. Diese Untersttzung hat das Zustande-kommen der Arbeit mit ihrer jetzigen Zielsetzung mglich gemacht.

Herrn Prof. Dr.-Ing. Viktor Scherer danke ich fr die bernahme des Korreferatesund fr sein freundliches Interesse an der Arbeit.

Dem Inhaber des Lehrstuhls Verfahrenstechnische Transportprozesse, Herrn Prof.Dr.-Ing. Eckhard Weidner, danke ich fr die Untersttzung besonders in der Endpha-se der Arbeit. Insbesondere bedanke ich mich fr den Rckhalt von Herrn Oberinge-nieur Dr.-Ing. Marcus Petermann.

Der Europischen Union danke ich fr die finanzielle Untersttzung im Rahmen desProjekts Vortex Enhanced Heat Exchangers (VEHE). Dabei bedanke ich mich beiHerrn Dr.-Ing. Efat Chafik, nicht nur als Ansprechpartner in EU-Angelegenheiten,sondern auch fr die Fachgesprche whrend der Forschungsarbeit.

Die engagierte Mitarbeit von (ehemaligen) Studenten war mir eine hilfreiche Unter-sttzung bei der Anfertigung der Dissertation. Im einzelnen danke ich Dipl.-Ing. Chri-stian Thulfaut, Dipl.-Ing. Wilhelm Scheidtmann, Dipl.-Ing. Marco Horstmann, Dipl.-Ing. Mohammed Janati, Dipl.-Ing. Jrg Friedlein, cand.-Ing. Karsten Grasemann undDipl.-Ing. Patrick Zander.

Meinen Zimmernachbarn Herrn Dr.-Ing. Shisheng Wang und Herrn Dr.-Ing. AbdallaBatta gebhrt mein besonderer Dank fr die geduldige und offene Diskussion vonwissenschaftlichen Fragestellungen.

Weiterhin mchte ich mich ganz herzlich bei allen Kolleginnen und Kollegen des In-stituts und des Lehrstuhls fr Verfahrenstechnische Transportprozesse fr die aus-gezeichnete Arbeitsatmosphre bedanken: Insbesondere Frau Ute Hendl, Frau Ur-sula Beitz, Frau Karin Hlsewig, Herrn Dipl.-Ing. Wolf-Dieter Manns, Herrn Dipl.-Ing.Udo Czwiklinski, Herrn Klaus-Peter Gottschlich, Herrn Gnter Vohwinkel, Herrn HansStruck, Frau Renate Glzenleuchter, Herrn Eberhard Dimter und Herrn ChristianGramann danke ich fr die freundliche Hilfe.

Gewidmet ist diese Arbeit meinen Eltern und meiner Schwester. Ihrer Untersttzungund Geduld habe ich diesen Lebensweg zu verdanken.

Witten, im September 2001

Inhaltsverzeichnis -I-

INHALTSVERZEICHNIS

Inhaltsverzeichnis ........................................................................................................ I

Nomenklatur .............................................................................................................. IV

1. Problematik............................................................................................................. 1

2. Stand des Wissens und Ziele der Arbeit ................................................................. 7

2.1 Auslegung und Nachrechnung von Wrmebertragern................................ 7

2.2 bertragungskennwerte ............................................................................. 12

2.2.1 Wrmebergang ............................................................................. 12

2.2.2 Wahl der Bezugstemperatur ........................................................... 13

2.2.3 Impulsbertragung und Strmungsverluste .................................... 15

2.3 Manahmen zur Wrmebergangssteigerung ........................................... 16

2.4 Bewertung von Wrmebertragern ............................................................ 21

2.4.1 VG1-Kriterium ................................................................................. 22

2.4.2 Bercksichtigung von Exergieverlusten .......................................... 24

2.5 Zielsetzung ................................................................................................. 28

3. Ausgewhlte bertragungsflchen ....................................................................... 31

3.1 Konfigurationen des VEHE-Projektes......................................................... 31

3.1.1 Lamellenrohrkonfiguration............................................................... 31

3.1.2 Plattenwrmebertragerkonfiguration mit geprgten

Wirbelerzeugern....................................................................................... 33

3.1.3 Wrmebertrager mit dreieckigen Kanlen mit eingestanzten

Wirbelerzeugern....................................................................................... 35

3.2 Referenzkonfigurationen ............................................................................ 37

Inhaltsverzeichnis-II-

4. Experimentelle Untersuchungen........................................................................... 38

4.1 Bestimmung lokaler Wrmebergangskoeffizienten durch Messung des

analogen Stoffbergangs ................................................................................. 38

4.2 Versuchskonfiguration VEHE-Dreieckskanal.............................................. 47

5. Kosten der Wrmebertragung und Optimierung ................................................. 49

5.1 Kostenzuordnung zu Bau- und Betriebsgren.......................................... 49

5.1.1 Kostenoptimierung fr einseitige Betrachtung (Tw = konst.)............ 51

5.1.2 Kostenoptimierung fr Betrachtung des beidseitigen

Wrmebergangs .................................................................................... 55

5.2 Flchenbezogene Kosten........................................................................... 57

5.3 Frderleistungsabhngige Kosten.............................................................. 59

6. Kostenoptimierter Entwurf von Wrmebertragern .............................................. 61

6.1 Entwurfskonzept......................................................................................... 61

6.2 Diskretisierung und Zahl der Elemente....................................................... 63

7. Ergebnisse ........................................................................................................ 72

7.1. Messungen zum Wrmebergang im Dreieckskanal

mit und ohne Wirbelerzeuger ........................................................................... 72

7.1.1 Referenzkanal ohne Wirbelerzeuger............................................... 73

7.1.2 Dreieckskanal mit Wirbelerzeuger................................................... 76

7.1.2.1 Flche II a ohne Wirbelerzeuger.......................................... 77

7.1.2.2 Flche II b mit Wirbelerzeugern........................................... 80

7.1.2.3 Flche II c mit Aussparungen .............................................. 81

7.1.3 Bercksichtigung der stromauf absorbierten NH3-Menge und

flchengemittelte Kennzahlen .................................................................. 87

7.1.4 Vergleich mit numerischen Ergebnissen ......................................... 91

7.2 Ergebnisse der Kostenoptimierung ............................................................ 93

7.2.1 Kostenoptimierter Betrieb (einseitige Betrachtung)......................... 93

7.2.2 Kostenoptimierter Betrieb (beidseitige Betrachtung) ....................... 95

7.3 Diskussion der Ergebnisse der Kostenoptimierung .................................. 100

Inhaltsverzeichnis -III-

8. Zusammenfassung ............................................................................................. 103

9. Quellenhinweise.................................................................................................. 105

10. Anhang ........................................................................................................A1

A. Kostenoptimierung fr beidseitige Betrachtung............................................A1

B. Eng. software for optimized design of vortex enhanced heat exchangers ...A4

Nomenklatur-IV-

NOMENKLATUR

Physikalische GrenZeichen Bedeutung SI-Einheit

A Wrmebertragungsflche m2

A Parameter zur Bezeichnung der Stromfhrung -

Af Frontflche m2

a Temperaturleitfhigkeit m2/s

B Kanalbreite m

B Parameter zur Wahl einer Stromfhrung -

b Belegungsdichte kg/m2

C Parameter zur Bezeichnung einer Stromfhrung, Konstante -

c Konstante, Faktor -

cp spezifische isobare Wrmekapazitt J/(kg K)

D binrer Diffusionskoeffizient m2/s

d Parameter zur Wahl einer Stromfhrung -

dh hydraulischer Durchmesser m

E Exergie J

E! Exergiestrom W

F Korrekturfaktor -

H Kanalhhe m

H Enthalpie J

h Hhe m

h spezifische Enthalpie J/kg

K Kosten

K! Kostenstrom /s

k Wrmedurchgangskoeffizient W/(m2 K)

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