Investigation of Wire Structures for Heat Transfer Enhancement in Compact Heat Exchangers

Verbesserte Wärmeübertrageroberflächen ermöglichen energieeffizientere, kompaktere und leichtere Wärmeübertrager. Eine spezifische Oberfläche, die in allen drei Kriterien optimal ist, gibt es nicht. Mit der Existenz dieses Zielkonflikts wurden und werden eine Vielzahl unterschiedlicher verbesserter Oberflächendesigns entwickelt. Innerhalb dieser Arbeit werden Wärmeübertrageroberflächen auf Basis zylindrischer Drähte/Stiftrippen mit Drahtdurchmessern in der Größenordnung von 100 μm für Flachrohranwendungen untersucht. Sehr hohe konvektive Wärmeübergangskoeffizienten und deutliche Materialeinsparungen können erwartet werden. ... mehrDas Ziel dieser Arbeit ist es, das Potenzial dieser Drahtstrukturen abzuschätzen.
Vier Schritte werden für die Abschätzung durchgeführt. Zunächst wird eine Methode zur Bewertung unterschiedlicher Oberflächenentwicklungen ausgearbeitet. Die Zielgrößen der Methode sind definiert als eine energetische, eine volumenspezifische und eine massenspezifische Effizienz. Im zweiten Schritt wird eine numerische Simulation der Fluidströmung durch verschiedene Drahtstrukturgeometrien durchgeführt und es werden Korrelationen für Kennzahlen der Thermo- und Fluiddynamik entwickelt. Im dritten Schritt wird die Machbarkeit der Herstellung von Drahtstruktur-Wärmeübertragern untersucht und eine Reihe von Wärmeübertragerproben wird experimentell im Hinblick auf ihre thermische und hydraulische Leistung geprüft. Im letzten Schritt werden die neu entwickelten Korrelationen verwendet, um die energetische, volumenspezifische und massenspezifische Effizienz der Drahtstrukturen unter geometrischen und operativen Randbedingungen zu optimieren.
Die Begutachtung zeigt Vorteile der Drahtstrukturen auf für Anwendungen, bei denen Volumen- und insbesondere Masseneffizienz eine wesentliche Rolle spielen. Wird eine Kombination aus energie- und volumenbezogener Bewertung durchgeführt, sind die Drahtstrukturen bei kleinen und mittleren Luftgeschwindigkeiten unterhalb etwa 2.5 m/s vorteilhaft. Für höhere Geschwindigkeiten sind die untersuchten Drahtstrukturen nicht vorteilhaft im Vergleich zu üblichen Lamellen.

Enhanced heat transfer surfaces enable more energy-efficient, compact and lightweight heat exchangers. However, no single surface geometry exists that simultaneously optimizes all of these three objectives. With the presence of trade-offs, many different enhancement designs have been developed and are still being developed. Within this thesis, enhanced heat transfer surfaces based on cylindrically shaped pin fins with wire diameters in the order of 100 μm are analyzed for flat-tube heat exchangers. Very high convective heat transfer coefficients and material savings can be expected. ... mehrThe objective of this thesis is to estimate the performance potential of these wire structures.
Four steps are taken to allow an estimation. Firstly, a performance evaluation method for comparing different types of enhancements is developed. The method’s objectives are defined as the energy, volume, and mass efficiency of the enhancement. Secondly, computational thermal-fluid-dynamic simulations of fluid flow through different wire structure geometries are performed and thermal-hydraulic correlations are developed. Thirdly, the technical feasibility of manufacturing wire structure heat exchangers is analyzed and a selection of samples is tested experimentally for their thermal-hydraulic performance. Lastly, the thermal-hydraulic correlations are used to optimize the energy, volume, and mass efficiency of the wire structure enhancement with respect to specified geometrical and operational constraints.
The evaluation shows benefits for the wire structures when the volume and especially the mass efficiency is taken into consideration. The potential is equivalent or higher when a combination of volume and energy efficiency is considered for air velocities up to approximately 2.5 m/s. For higher velocities the analyzed wire structure designs appear not to confer any advantages over standard fins when evaluated for energy and volume efficiency.