Steigerung der Energie- und Kosteneffizienz bei der Abwärmenutzung durch Optimierung von Strukturrohren in Rohrbündelwärmeübertragern

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-31547
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Institut für Mechanik
Fakultät: Fakultät Maschinenbau
Hauptberichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Breuer
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 17.02.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum:
SWD-Schlagwörter: Druckabfall , Mehrkriterielle Optimierung , Effizienz
Freie Schlagwörter (Deutsch): Drallrohr , optimierte Oberflächenstruktur , Wärmeübergang , Kosteneffizienz
Freie Schlagwörter (Englisch): Corrugated tube , enhanced surface , heat transfer , friction , multi-objective optimization , cost efficiency
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Deutsch:

Werden zur Steigerung des Wärmeübergangs Strukturen auf die Oberfläche von Rohren aufgeprägt, führt dies zu dem unerwünschten Effekt eines steigenden Druckverlustes. Folglich muss bei der Optimierung von Wärmeübertragern dieses konkurrierende Verhalten berücksichtigt werden. In der vorgelegten Arbeit geschieht dies, indem der Wärmeübergang und der Druckverlust in der dimensionslosen Form Nußeltzahl und Reibungsbeiwert zur Definition zweier Zielfunktionen verwendet werden, welche mittels der Pareto-Optimalität bewertet werden. Dadurch ist eine gleichzeitige Reduzierung der Herstellungskosten, des Druckverlustes, der wärmeübertragenden Fläche und des Bauvolumens gegenüber eines kostenoptimalen Wärmeübertragers mit Glattrohren möglich. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Entwicklung eines zweistufigen Optimierungsverfahrens für Rohrbündelwärmeübertrager, welches im ersten Schritt ausschließlich mit den dimensionslosen Kenngrößen Nußeltzahl und Reibungsbeiwert arbeitet. Der Vorteil liegt darin, dass Strukturgeometrien entwickelt werden können, die für unterschiedliche Anwendungen zur Optimierung der Herstellungskosten, des Druckverlustes und der Kompaktheit von Rohrbündelwärmeübertragern geeignet sind, ohne die genauen Prozessspezifikationen (Massenströme, Temperaturen, etc.) zu kennen. Das Ergebnis ist eine Auswahl optimaler Standardgeometrien. Erst im zweiten Schritt, wenn die genauen Prozessspezifikationen bekannt sind erfolgt die Entscheidung für eine bestimmte Geometrie aus dieser Auswahl. Anhand von Praxisbeispielen wird die Anwendbarkeit des vorgestellten Optimierungsverfahrens demonstriert und das Potential von Strukturrohren zur Reduzierung der Herstellungskosten und des Druckverlustes sowie zur Steigerung der Kompaktheit von Rohrbündelwärmeübertragern mit Zahlen hinterlegt. Je nach Prozessspezifikationen wurde eine Reduzierung der Kosten von 8–22 %, des Druckverlustes von 20-30% und der wärmeübertragenden Fläche von bis zu 50% erzielt. Eine weitere Reduzierung des Druckverlustes kann mit der vorgestellten Methode der teilstrukturierten Rohre erreicht werden. Mit dieser Methode können die thermischen und hydraulischen Eigenschaften von Strukturrohren genauer auf unterschiedliche Prozessspezifikationen abgestimmt werden, was in dem gezeigten Praxisbeispiel zu einer weiteren Reduzierung des Druckverlustes um bis zu 17% führte. Die Datenbasis für die Optimierung liefern Messungen des Wärmeübergangs und des Druckverlustes von jeweils 18 einfach- und kreuzgedrallten Rohren. Es wurden die Tiefe, der Winkel und die Gangzahl der Drallung variiert und die Einflüsse der einzelnen Parameter auf den Wärmeübergang und den Druckverlust untersucht. Aus den Messdaten wurden Approximationsfunktionen für die Nußeltzahl und den Reibungsbeiwert in Abhängigkeit der Geometrieparameter der Strukturierung entwickelt. Diese werden in dem o. g. zweistufigen Optimierungsprozess verwendet um die Werte der Zielfunktionen zu bestimmen. Weiterhin können mit Hilfe der Approximationsfunktionen die Auswirkungen von Fertigungstoleranzen auf die Nußeltzahl und den Reibungsbeiwert von Strukturrohren abgeschätzt werden, was einen wichtigen Faktor bei der praktischen Umsetzung der aus dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse darstellt.

Kurzfassung auf Englisch:

Using corrugations to enhance the heat transfer of tubes leads to the undesired effect of an increased pressure drop. Consequently, this competing behavior has to be considered within the optimization of heat exchangers. In the present work the Nusselt number and the friction factor are used to define two objective functions, which are evaluated based on the Pareto-optimality. Thus a simultaneous reduction of manufacturing costs, pressure drop, heat transfer area and volume of shell and tube heat exchangers is achieved. The work is focused on the development of a two-step optimization approach for shell and tube heat exchangers. In a first step only the dimensionless numbers Nusselt number and friction factor of the enhanced tubes are used. The benefit of this step is that corrugations are developed, which are appropriate for the optimization of the manufacturing costs, the pressure drop and the compactness of heat exchangers for different applications without the knowledge of the exact process specifications (mass flow rates, temperatures, etc.). This will result in a set of standardized geometries of the corrugations. In the second step, when the exact process specifications are known, the appropriate geometry is selected from this set. The application of the introduced two-step optimization approach is demonstrated by means of practical use cases, which support with figures the potential of corrugated tubes regarding the reduction of manufacturing costs and pressure drop as well as the enhanced compactness of shell and tube heat exchangers. Depending on the process specifications, the manufacturing costs are reduced by 8-22%, the pressure drop by 20-30% and the heat transfer surface by up to 50%. A further reduction of the pressure drop is achieved by partially corrugated tubes. With this method the thermal and hydraulic characteristics of the tubes can be adjusted as needed for a given process specification. In the shown practical example a further reduction of the pressure drop of up to 17% is achieved. The data for the optimization is based on measurements of the heat transfer and friction of 18 single-helix corrugated tubes and 18 cross-helix corrugated tubes. The corrugation heights, the corrugation angles and the corrugation pitches are varied and the influences of these parameters on heat transfer and pressure drop are investigated. Correlations for the Nußelt number and the friction factor are developed based on the experimental data. These correlations are used to evaluate the above mentioned objective functions. Furthermore, the correlations can be used to determine the influence of production tolerances on the Nußelt number and the friction factor, which is an important point for the practical implementation of the findings of this work.

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