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Energie- und Ressourceneffizienz durch Optimierung von Abgaswärmeübertragern : ERA

DBU (Deutsche Bundesstiftung Umwelt) (Hrsg). Koblenz. 2018 56 S.

Erscheinungsjahr: 2018

Publikationstyp: Diverses (Forschungsbericht)

Sprache: Deutsch

Bemerkung: Der Bericht erscheint bei der DBU als Abschlussbericht unter dem Akronym "ERA" (Projektnummer Az 32515/01).

Doi/URN: 10.13140/RG.2.2.30196.04481

Volltext über DOI/URN

GeprüftBibliothek

Inhaltszusammenfassung


Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Das Projekt befasst sich mit der Verbesserung von Rauchrohr-Abgaswärmeübertragern, die in fast allen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen Anwendung finden. Die angestrebte flächeneffiziente Wärmeauskopplung vom Abgas über die Rohrwand in die kältere Flüssigkeit wird durch den hohen Wärmewiderstand zwischen Abgas und Rohrwand beschränkt. Ursachen hierfür sind die Stoffeigenschaften der Gase sowie zahlreiche Strömungsparameter und die Oberflächenbeschaffenheit ...Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Das Projekt befasst sich mit der Verbesserung von Rauchrohr-Abgaswärmeübertragern, die in fast allen Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen Anwendung finden. Die angestrebte flächeneffiziente Wärmeauskopplung vom Abgas über die Rohrwand in die kältere Flüssigkeit wird durch den hohen Wärmewiderstand zwischen Abgas und Rohrwand beschränkt. Ursachen hierfür sind die Stoffeigenschaften der Gase sowie zahlreiche Strömungsparameter und die Oberflächenbeschaffenheit sowie die Kontur der Wand. Das Vorhaben hat zum Ziel, statt Glattrohre Rohre mit geschickten Wandkonturen zu finden und diese sicher vorausberechnen zu können, die zugleich deutlich höhere Wärmestromdichten als Glattrohre aufweisen bei nur geringfügig erhöhten Druckverlusten, so dass die Baulänge stark verkürzt werden kann. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden: Geeignet erscheinen unterschiedlichste Spiralrillenrohre und Dellrohre, da ihre mikroskopische Rauigkeit derjenigen von Glattrohren entspricht, die Wandkontur jedoch wiederholt makroskopische Turbulenzen erzeugen kann, die den Wärmetransport durch Überführung von Stromlinien aus heißen Bereichen in kältere Bereiche in Wandnähe befördert. Die zusätzlich erzwungenen Turbulenzen lassen erwarten, dass Rohrkonturen existieren, die einen im Vergleich zu Glattrohren deutlich höheren mittleren gasseitigen Wärmeübertragungskoeffizienten aufweisen bei unerheblich höherem Druckverlust und im Idealfall gar selbstreinigenden Strömungseigenschaften. Wegen der Vielzahl möglicher Einflussparameter auf die für die Wärmeübertragung entscheidende Strömungs- und Temperaturgrenzschicht ist geplant, eine Auswahl typischer Bauformen von Spiralrillenrohren und Dellrohren in einem nicht-isothermen Rohrprüfstand hinsichtlich Wärmeübertragungseigenschaften und Druckverlust zu vermessen. Mit Hilfe von CFD-Rechnungen sollen aussichtsreiche Wandkonturen nachgerechnet werden. Dabei sollen in der Studie die Einflüsse der die Kontur bestimmenden Parameter wie Rohrwandstärke, Einprägetiefe, Spiralwinkel, Rillenabstand sowie die Abhängigkeit von der Reynolds Zahl und der Temperaturspreizung untersucht werden. Eine Validierung der numerischen Simulation durch experimentelle Versuche und Feldmessungen muss erfolgen, damit Druckverlust und Wärmeübergangskoeffizient verlässlich mit hoher Genauigkeit bei neuen Konturen bestimmt werden können. Ergebnisse und Diskussion: Die Zielsetzung des Vorhabens eine deutliche Effizienzverbesserung und Ressourceneinsparung bei der Wärmeauskopplung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen zu erzielen, ist vollständig erreicht worden. Durch Verwendung der gefundenen gut herstellbaren Rohrwandkonturen mit optimierten Einprägetiefen, Drallwinkeln und Drallabständen gelingt es die Baulänge von Rohrbündelwärmeübertragern für die Anwendung in der Kraft-Wärme-Kopplung im relevanten Reynolds-Zahlen-Bereich um bis 30 % bei gleichem Apparate-Außendurchmesser zu reduzieren und damit Material in der gleichen Größenordnung einzusparen. Umgekehrt wird bei gleicher Baulänge und gleichem Materialeinsatz die ausgekoppelte Wärmemenge erhöht, sofern die dann tieferen Austrittstemperaturen für die jeweilige Anwendung geeignet sind. Alle untersuchten Rohrtypen sind nun mit Verlässlichkeit und einer Genauigkeit von +- 5 % hinsichtlich übertragbarem Wärmestrom und Druckverlust vorausberechenbar. Entgegen den Erwartungen stellte sich bei den strukturmechanischen Untersuchungen heraus, dass jedwede Umformung von Glattrohren zu Rohren mit konturierten Wandungen nicht zu einer Erhöhung der Steifigkeit führt, sondern dass die Dehnungsbehinderung der durch Abgas erhitzten Rohre in axialer Richtung durch die Rohrplatten und den kalten Mantel des Wärmeübertragers zu geringeren Spannungen auf der Rohrplatte führt als bei Glattrohren. Wie man aus früheren Untersuchungen weiß, begrenzt gerade die Spannungsschwingbreite bei häufigen Aufwärm- und Abkühlvorgängen die Lebensdauer von Abgaswärmeübertragern, die nun um ca. Faktor 2 verringert wird. Das ist im Betrieb positiv. Eine höhere Lebensdauer bei Apparaten mit konturierten Rohren kann daher als gesichert gelten. Das Handling langer konturierter Rohre, d. h. der Transport und die Montage der Rohre wird nicht wie erwartet infolge höherer Steifigkeit positiv beeinflusst, so dass sich aus den Ergebnissen keine Empfehlung zur Verringerung der Wandstärke zur Materialeinsparung ableiten lässt.» weiterlesen» einklappen

  • Abgaswärmeübetrager, Turbulenzmodelle, Druckverlust, Strukturierte Rohre, Wellrohre, Drallrohre, Kreuzdrallrohre, Wärmestromdichte, Reynoldszahl, Strömungsmodelle, Reynolds-Spannungs-Modell

Klassifikation


DFG Fachgebiet:
Wärmeenergietechnik, Thermische Maschinen, Strömungsmechanik

DDC Sachgruppe:
Ingenieurwissenschaften

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