Numerische Strömungssimulation und experimentelle Untersuchung des Wärmeübergangs zeigen für Rohrbündelkondensatoren ein großes Verbesserungspotenzial durch die Optimierung der Struktur von Hochleistungsrippenrohren auf.
Die Leistungsfähigkeit von Rohrbündelkondensatoren der Kälte- und Klimatechnik ist durch den Überschwemmungseffekt limitiert. Darunter versteht man die Verringerung des Wärmeübergangskoeffizienten an den unteren Rohrreihen des Bündels durch von oben herabtropfendes Kondensat. Im Projekt „Wärmeübergang in Rohrbündelkondensatoren“ sollte diesem Effekt durch Oberflächenmodifikationen und optimierte Strukturen von Hochleistungsrippenrohren begegnet werden.
rechts: Experimentell und mittels numerischer Strömungssimulation bestimmte Wärmeübergangskoeffizienten für die Kondensation von R134a an einem Glatt- (grün), Standardrippen- (rot) und Hochleistungsrippenrohr (blau)
Die Untersuchung des kondensatseitigen Wärmeübergangskoeffizienten an den einzelnen Rohrreihen eines Bündels erfolgte sowohl experimentell als auch mittels numerischer Strömungssimulation. Mit Hilfe eines speziell konzipierten Versuchsstandes, bestehend aus einem Rohrbündelkondensator mit vier Rohrreihen und Berieselungseinheit, wurde der Überschwemmungseffekt für die Kältemittel Propan und R134a für realistische Betriebsbedingungen wärmetechnisch charakterisiert.
Durch die Entwicklung eines Kondensationsmodells konnte der kondensatseitige Wärmeübergang an komplexen Rohrgeometrien erstmals mittels numerischer Strömungssimulation modelliert werden. Letztere wurde mit Hilfe der experimentellen Daten validiert und erlaubte für den Wärmeübergang am Einzelrohr die Identifikation einer optimalen Rippenstruktur in Abhängigkeit der Stoffeigenschaften der Arbeitsfluide. Für eine im Rahmen von Voruntersuchungen bezüglich der Benetzungseigenschaften als erfolgversprechend vermutete Oberflächenmodifikation mit sehr kleiner Oberflächenenergie konnte keine Steigerung des Wärmeübergangs bzw. Reduzierung des Überschwemmungseffektes festgestellt werden. Dagegen zeigten Experiment und Modellierung für das Hochleistungsrippenrohr mit Zusatzstruktur im Vergleich zum Standardrippenrohr eine deutliche Steigerung des Wärmeübergangs auf.
