Experimental and numerical gas-side performance evaluation of finned-tube heat exchangers

Abstract

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung neuartiger Korrelationen zur Berechnung des gasseitigen Wärmeübergangskoeffizienten sowie des Druckverlustkoeffizienten für Wärmeübertrager unterschiedlicher Bauart mit verschiedener Anzahl hintereinander angeordneter Rohrreihen von U-geformeten segmentierten Rippenrohren in versetzter Anordnung, um das globale Verhalten auf der Gasseite zu charakterisieren. Die experimentellen Untersuchungen wurden an einem halbindustriellen Prüfstand des Institutes für Thermodynamik und Energiewandlung an Rippenrohrbündeln unterschiedlicher Konfiguration durchgeführt. Dabei wurden die Rohrbündel bei gleicher Querteilung und im Falle von bis zu acht hintereinander angeordneten Rohrreihen in versetzter Anordnung mit gleicher Längsteilung untersucht. Somit wurde eine maximale Rohranzahl von 88 Rohren experimentell vermessen. Die Reynolds-Zahl wurde dabei im Bereich von 4500 bis 35000 verändert. Alle Messungen wurden auf der Gasseite und der Wasserseite durchgeführt. Eine im Anschluss an die Messung durchgeführte Messdatenvalidierung hatte zum Ziel die Energiebilanz zwischen den betrachteten Systemgrenzen zu schließen. Die Versuchsanlage, die Messtechnik und die Messunsicherheitsberechnung sind in der vorliegenden Arbeit präsentiert.<br />Als Ergebnis der Messungen an unterschiedlichen Rohrreihen wurde ein Abminderungsfaktor des Wärmeübergangskoeffzienten an Rippenrohren hergeleitet. Der mittlere Wärmeübergang steigt dabei scheinbar von Rohrreihe zu Rohrreihe degresiv an. Ein Vergleich der entwickelten Wärmeübergangs- und Druckverlustkorrelationen mit der Literatur wird präsentiert.<br />Eine drei-dimensionale stationäre numerische Berechnung der Strömung und des Wärmeübergangs über eine Rohrreihe mit einer periodischen Anordnung von glatten und segmentierten Rippen wurde durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden fünf unterschiedliche Modelle von einem Wärmeübertrager einer Einzelrohrreihe mit glatten und segmentierten kreisförmigen und verschraubten I/U-geformten Rippen entwickelt. Das thermische Strömungsfeld wurde auf konvektive Transportphänomene untersucht. Der Einfluss der parametrisch veränderten Reynolds-Zahl auf die Nusselt-Zahl wurde analysiert. Speziell der Unterschied zwischen glatten und segmentierten Rippen, sowie der Einfluss auf die Rippenoberfläche zwischen zwei gegenüberliegenden Rippen mit I-Form und U-Form wurde untersucht. Neben dem k-epsilon Modell zur Turbulenzmodellierung, wurde das auf diesem basierende renomalization group theory (RNG) k-epsilon Turbulenzmodell angewandt, um wandnahe Effekte zwischen den Rippenschneiden zu berechnen. In dieser Arbeit sollen die Ergebnisse der CFD-Berechnung innerhalb der vorgegebenen Berechnungsgrenzen mit den berechneten Messwerten des Experiments an der Versuchsanlage verifiziert werden, um etwaige Rückschlüsse von globalem auf lokales Verhalten eines konjugierten Wärmeübergangs- und Strömungproblemes zu erhalten. Zu diesem Zweck sind an der Gasseite der Versuchsanlage Strömungsgleichrichter sowie eine Beruhigungsstrecke angeordnet, um die gleichen Einlassbedingungen wie in der Berechnung zu simulieren. Die Untersuchungen an einem Rohrbündel sollen das periodische Verhalten in der Simulationsrechunng abbilden. Ein Vergleich der vorgeschlagenen Berechnungsgleichung für die Nussel-Zahl mit der Simulationsrechnung sowie den meisten Messwerten zeigt, daß eine Genaugikeitsgrenze von etwa ±15% eingehalten werden kann, für die Gleichung des Druckverlustkoeffizienten wurde eine Unsicherheit von ±20% ermittelt. Ein Performance-Evaluierungskriterium für Einphasenströmungen wurde angewandt um das Leistungsverhalten von verschiedenen Rippenrohrbündeln (glatt/segmentiert I/U-Form) zu bewerten. Die Ergebnisse des Vergleichs vom berechneten Wärmeübergang aus den Messwerten, ermittelt an einer querangeströmten U-segmentierten Einzelrohrreihe mit Halbrohr installiert an der Kanalwand, sowie den dazugehörigen Simulationsrechnungen mit CFD zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit geringer Abweichung. Ein qualitativer sowie quantitativer Druckverlustkoeffizient-Vergleich zwischen Experiment an 8 Rohrreihen (ermittelt für eine Einzelrohrreihe) und der CFD-Berechnung zeigt gute Übereinstimmung, speziell im Re-Bereich von etwa 6000 bis 20000. Bei größeren Reynolds Zahlen als 20000 bis zu 50000 wurde abweichendes Verhalten beobachtet.<br />Auf einige lokale Effekte könnte im Zuge der Untersuchungen hingedeutet werden. Im Zuge der Parameterstudien wurden Temperaturprofile über die Rippenoberflächen und umfangsmässig sowie radial gemittelte Wärmeübergangskoeffizienten über die Rippenoberflächen analysiert.<br />

The objective of this work is to develop new heat transfer coefficient and pressure drop coefficient correlations for a heat exchanger with different numbers of consecutively arranged U-shaped finned-tubes in staggered layout, to characterize the global behavior at the gas-side. The experimental investigations at a semi-industrial scale test facility, at the Institute for Thermodynamics and Energy Conversion, were performed at different finned-tube bundle configurations. The tube bundles were arranged at equal transverse pitch, and in case of up to eight consecutively arranged tubes, with equal longitudinal pitch in staggered formation. Thus, a maximum total number of 88 tubes at different configurations was investigated. The Reynolds-Number was varied in the range between 4500 and 35000. The measurements were accomplished at the gas-side and at the water-side.<br />The scope of a subsequently performed measurement validation should be addressed to fulfill the energy balance of the used system boundaries. The experimental setup, the measurement technique, and the measurement uncertainties are presented. As a result of measurements at different tube row configurations, a row correction factor for the heat transfer from the finned-tubes was derived. The average mean heat transfer seems to increase degresively from row to row. A comparison of the developed heat transfer and pressure drop correlations with available literature is presented. A three dimensional steady state numerical analysis of fluid flow and heat transfer across a tube row with a periodic array of solid and segmented fins was performed. For this reason, five different models of a single row finned-tube heat exchanger, with solid and segmented circular and helical I/U-shaped fins, were developed. The thermal field has been examined for convective transport phenomena. The effect of the parametrically varied Reynolds-number to the Nusselt-number was analyzed. Especially the difference between solid and segmented fins as well as the influence at the fin surface between two adjacent fins of I-shape and U-shape was analyzed. Apart from the application of a k-epsilon turbulence model, for modeling turbulence, a renomalization group theory (RNG) based on a k-epsilon turbulence model was applied to resolve near wall treatment between the adjacent fins. It is intended to verify the results of the CFD-calculations within the computational model boundaries with those calculated from the measurements at the test rig, to draw any conclusions from global to local effects of conjugated heat transfer and fluid flow. Therefore, at the gas-side of the test rig, a flow rectifier and an inflow channel should provide the same inlet conditions and the investigation of an array of finned-tubes represents the periodic boundaries as in the computational domain of the simulation. A comparison of the proposed equation for the Nusselt number with the simulation as well as most measurement results are found to be accurate within about ±15%; for the equation of the pressure drop coefficient an uncertainty of ±20% may be found. A performance evaluation criterion for single-phase flows was applied to characterize the effectivity of the various finned-tube bundles (solid/segmented I/U-shaped). The result of the comparison of heat transfer data from measurements, performed on a single U-segmented finned-tube row in cross-flow with a semi-tube installed at the channel wall, and the corresponding CFD calculations is found to be in excellent agreement, with only a small deviation. A qualitative and quantitative pressure drop coefficient comparison of the experiment at 8 tube rows (evaluated for a single tube row) with the CFD-calculation shows good agreement especially in the Re-range of about 6000 to 20000. At higher Reynolds numbers than 20000 up to 50000, a diverging effect was observed. In the course of the parameter study temperature profiles across the finned surface, circumferentially and radially averaged heat transfer coefficients across the finned surface were analyzed.