Die numerische Simulation wird durch die Weiterentwicklung der Rechentechnik immer präziser und gibt völlig neue Möglichkeiten der Berechnung. Wissenschaftlich fundierte Richtwerte müssen daher regelmäßig durch neue Simulationsergebnisse verifiziert und validiert werden. In diesem Blogbeitrag präsentieren wir neueste Ergebnisse bei der Berechnung eines Wärmeüberträgers und reflektieren diese an den bekannten Messwerten von Ender Özden.
Praxis der Wärmeübertragung
Der komplette Versuch orientierte sich an der Veröffentlichung von Özden et al. und sollte die daraus resultierenden Werte und Erkenntnisse verifizieren. Die Simulationsergebnisse können dank des tiefen Verständnisses für physikalische Phänomene und der langjährigen Erfahrung der Tintschl BioEnergie
und Strömungstechnik AG als valide betrachtet werden.
Özden et al. untersuchte den Rohrbündelwärmetauscher numerisch mit einer variierenden Anzahl an Umlenkblechen. Genau dieser Modellversuch wurde mit dem fortschrittlichen Simulationsprogramm ANSYS CFX 18.0 und dem identischen Wärmetauscher adaptiert und neu ausgewertet.
Die regelmäßige Verifikation und Validierung der Simulationsergebnisse ist zwingend erforderlich, weil:
- sie das Vertrauen in eine eingesetzte Methode stärkt oder schwächt.
- sie die notwendige Grundlage für belastbare Prognosefähigkeit und Aussagekraft von Simulationen schafft.
Die meist angewandten Methoden der numerischen Strömungssimulation lauten:
- Finite-Elemente-Methode (FEM)
- Finite-Volumen-Methode (FVM)
FEM: Mit diesem numerischen Berechnungsverfahren können dank der vereinfachten mathematischen Formulierung die Festkörper-Verformung und verwandte Kenngrößen berechnet werden.
FVM: Hierbei handelt es sich um eine Simulations-Methode, bei der sich das Berechnungsgebiet in kleine Volumen aufteilt. Zur Bilanzgleichung muss jedes Volumen separat berechnet werden. Die Finite-Volumen-Methode wird im Versuch zur Ermittlung der Strömung herangezogen.
Diese Methoden sind numerische Näherungsverfahren, die zur Validierung stets mit quantitativen Berechnungen verglichen werden müssen. Zur Berechnung eines Wärmeüberträgers erweist sich FEM und FVM als geeignete Verfahren.
Strömungssimulation: Die Berechnungsergebnisse zum Versuch
Für eine möglichst genaue Berechnung wurde die Strömungsmechanik mit der Strukturmechanik kombiniert und die thermische Verformung mittels FEM-Simulation bestimmt.
Der Prozess gestaltet sich dabei folgendermaßen: Das Wasser wird mit einer Temperatur von 300 Kelvin in das Strömungsgebiet geschleust, wo es in sieben vertikalen Rohren an mehreren Umlenkblechen entlangfließt, bis es den oben gelegenen Ausfluss erreicht. Diese Simulation wurde in mehreren Variationen (variierenden Massenströmen und verschiedener Anzahl der Umlenkbleche) durchgeführt. Insgesamt zeigten die Simulationen eine gute Übereinstimmung mit den bereits bekannten Werten. Die Abweichungen der übertragenden Wärmemenge betrugen max. 5-10 % und die erfasste Austrittstemperatur maximal 1 %.
Somit lautet die primäre Erkenntnis der Strömungssimulation, dass die Berechnungsergebnisse sehr gut mit den Messwerten von Özden et al. übereinstimmen.
Aspekt der Strukturmechanik
Die Besonderheit des Versuchs liegt in der FEM-Berechnung, die den Versuch von Özden et al. um einen wichtigen Aspekt bereichert. Temperatur- und Druckverteilung der Rohrbündelberechnung dienen als Eingabeparameter für die strukturmechanische Berechnung. Die Kombination aus Simulationsergebnissen, die aus der Strömungsberechnung hervorgehen, und FEM-Berechnung liefert bspw. Aufschluss über die Verformung der Umlenkbleche.
Analysiert wurden die Strömungslinien bei unterschiedlicher Anzahl von Umlenkblechen (in dieser Simulation 6-12) und einem festgelegten Massenstrom (in der Grafik 0,5 kg s-1). Die stärkste Verformung der Umlenkbleche erreichte die Simulation mit 12 Umlenkblechen und einem Massenstrom von 2 kg s-1.
Vergleich der Werte aus Strömungssimulation und FEM-Berechnung
Im Whitepaper „Numerische Berechnung eines Wärmeüberträgers“ erhalten Sie tiefere Einblicke in die numerische Modellierung und konkrete Werte der durchgeführten Simulation. In einer Tabelle sind die Ergebnisse aus der gekoppelten Berechnung des Rohrbündelwärmetauschers mit Strömungssimulation und FEM-Berechnung denen von Özden et al. gegenübergestellt und um die Verformung der Umlenkbleche ergänzt.
