Kanäle mit verschiedenen Strömungshindernissen (3D)

5.2. WÄRMEÜBERGANG IM QUER ANGESTRÖMTEN KANAL 103

Tabelle 7: Geometrische Verhältnisse der 3D-Kanäle

Bezeichung Form Anordnung α e/H p/e bV/H p/dW ψ θ eg/H g/p

FP3 Flügel period. V 60° 0,40 10 2 - - - -

-HK Wölbung - - 0,25 4 - 1 - - -

-HN Hin.-Nut period. V 60° 0,067 6 2 - 18° 60° 0,033 0,4

gung, θ der Winkel der Nuten, e_g die Tiefe der Nuten undg der Abstand der Nuten zum Hindernis. Informationen zu den Rechennetzen finden sich im Anhang D.1.4.

Wie in Abbildung 65 schematisch dargestellt, werden jeweils Ausschnitte der Kanäle modelliert (hellgrau hinterlegt) und am linken und rechten Rand mit einer Symme-triebedingung versehen. Es wird die gesamte Länge des Kanals modelliert. Die Ein-trittsgeschwindigkeit in den Kanal beträgt für alle drei Fälle 0,02267 m/s, was einem Volumenstrom von 100 m³/h im kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeicher ent-spricht. Die Lufttemperatur am Eintritt beträgt 60 °C, die Wandtemperatur 20 °C.

Der direkte Vergleich der senkrecht und V-förmig zur Strömung angestellten flügelför-migen Hindernisse in Abbildung 66 zeigt höhere lokale Nusselt-Zahlen für die V-förmig angestellten Hindernisse, beginnend ab dem 4. Hindernis. Im hinteren Kanalbereich wird eine deutlich bessere Wärmeübertragung erreicht, als mit den senkrecht zur Strö-mung stehenden Hindernissen. Insbesondere im Bereich der angeströmten Spitzen der V-Strukturen kommt es zu einer erhöhten Wärmeübertragung. Die Wärmestromdichte ist in Abbildung 67 oben dargestellt.

Der Verlauf der mittleren Nusselt-Zahlen entlang der drei 3D-Kanäle ist in Abbildung 68 gezeigt. Ein deutlicher Anstieg der Nusselt-Zahl beginnt bei allen Varianten bereits nach etwa 0,25 m im Kanal. Der Anstieg wird ab etwa 0,65 m flacher. Am Ende des Kanals wird die höchste Nusselt-Zahl von N u= 47 im Kanal mit halbkugelförmigen Wölbungen erreicht.

In Abbildung 69 sind Geschwindigkeitsvektoren im hinteren Bereich der Kanäle darge-stellt. Durch die sich ausbildenden Strömungswirbel kommt es bei den flügelförmigen Hindernissen zu einer Strömungsdurchmischung. Auch die Strömungsumlenkungen um

Abbildung 66: Lokale Nusselt-Zahl der senkrecht (FP1, 2D) und V-förmig (FP3, 3D) zur Strömung angestellten flügelförmigen Hindernisse

0 4000 W/m²

0 2300 W/m²

0 6500 W/m²

Abbildung 67: Lokale Wärmestromdichte an der Wand der Kanäle, flügelförmige Strö-mungshindernisse in V-Anordnung (oben), halbkugelförmige Wölbungen (mitte), Hindernis-Nut-Strukturen in V-Anordnung (unten)

die halbkugelförmigen Wölbungen führen zu einer Mischung der Strömung. Bei den Hindernis-Nut-Strukturen sind die sich ausbildenden Wirbel deutlich kleiner. Dennoch wird ein hoher Wärmeübergang erreicht, bei gleichzeitig niedrigem Druckverlust.

Die mittleren Nusselt-Zahlen, Druckverluste und die Effektivitäten sind in Tabelle 8 zusammengefasst. Zudem sind dort die wärmeübertragende Fläche und der Wärmestrom angegeben, der im Prototypspeicher erreicht würde, wenn der Sorptionswärmespeicher-mantel mit der entsprechenden Oberflächengeometrie ausgestattet wäre.

Die Hindernisse führen zu einem deutlichen Anstieg der Nusselt-Zahl im Vergleich zu einer glatten Oberfläche. Die größte mittlere Nusselt-Zahl wird mit den halbkugelförmigen Wölbungen erzielt. Der Einsatz dieser Hindernisse bewirkt eine 3,5-fache Erhöhung im

Abbildung 68: Mittlere Nusselt-Zahl entlang des Kanals, flügelförmige Hindernisse (FP3), Hindernis-Nut-Strukturen (HN), halbkugelförmige Wölbungen (HK)

5.2. WÄRMEÜBERGANG IM QUER ANGESTRÖMTEN KANAL 105

Abbildung 69: Geschwindigkeitsvektoren im hinteren Bereich der Kanäle, flügelförmige Hindernisse (oben), halbkugelförmige Wölbungen (mittig), Hindernis-Nut-Strukturen (unten)

Tabelle 8: Ergebnisse der 3D-Geometrien

Nusselt-Zahl Druckverlust Effektivität Wärmestromdichte Fläche Wärmestrom

N u Δp η q˙ A Q˙

- Pa - W/m² m² W

Glatt 7,08 2,30 1,00 207,5 1,32 273,3

FP3 15,54 5,20 2,37 478,7 1,37 655,8

HK 24,47 5,36 3,32 552,8 1,58 875,2

HN 20,69 3,86 2,86 442,0 1,88 830,0

Vergleich zum glatten Kanal. Der höhere Druckverlust bei den Kanälen mit Hindernissen ist bei einer Anwendung im kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeicher kaum relevant, da an anderen Stellen im System weitaus größere Druckverluste auftreten.

Der geringste Druckverlust entsteht mit den Hindernis-Nut-Strukturen. Die höchste Effektivität von 3,32 wird mit den halbkugelförmigen Wölbungen erreicht.

Die Untersuchungen machen deutlich, dass eine Erhöhung des Wärmeübergangs im Ver-gleich zum bestehenden Prototypspeicher durch den Einsatz von Strömungshindernissen möglich ist. Aus den Simulationsergebnisse geht außerdem hervor, dass eine signifikante Erhöhung des Wärmeübergangs nicht im gesamten Kanal erfolgen kann. Systembedingt wird im unteren Bereich des Luftkanals, aufgrund der dort vorherrschenden niedrigen Strömungsgeschwindigkeit, keine bedeutende Steigerung des Wärmeübergangs möglich sein. Während die Erhöhung des Wärmeübergangs bei den 2D Geometrien nur im hinte-ren Kanaldrittel erfolgte, ist bei den untersuchten 3D Geometrien bereits im mittlehinte-ren Kanalbereich eine nennenswerte Steigerung auszumachen, so dass sich insgesamt eine deutliche Steigerung der mittleren Nusselt-Zahl ergibt.

Würde im Sorptionswärmespeicher nun beispielsweise eine Oberfläche mit halbkugel-förmigen Wölbungen eingesetzt, so könnte bei einem Luftvolumenstrom von 100 m³/h ein Wärmestrom von 875 W übertragen werden. Durch den Einsatz von Strömungshin-dernissen oder strukturierten Oberflächen an der Sorptionswärmespeicherwand ist es damit möglich, die Effizienz des kombinierten Speichers zu erhöhen und Leistungen in der Größenordnung von 1 kW zu übertragen.

6 Bewertung der Leistungsfähigkeit eines kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeichers

Im abschließenden Kapitel 6 wird die Leistungsfähigkeit eines kombinierten Warmwasser-Sorptionswärmespeichers numerisch untersucht und eine Bewertung, insbesondere auch im Vergleich mit konventionellen Warmwasserspeichern, vorgenommen.

Die Vorgehensweise ist zweistufig: die Kopplung von Sorptionswärmespeicher- und Warmwasserspeichermodell und die Validierung des gekoppelten Modells anhand von Messdaten erfolgt in einem ersten Schritt, bevor das gekoppelte Modell zur Durchführung von Jahressimulationen in das Modell einer thermischen Solaranlage (Gesamtsystem) integriert wird.

In diesem Kapitel fließen die Inhalte der vorangegangenen Kapitel zusammen. Die ex-perimentellen Untersuchungen liefern einerseits das Verständnis und die notwendigen Kenntnisse, um eine geeignete Wahl der Parameter für das Modell des Adsorptionspro-zesses in einem Radialstromadsorber zu treffen, und andererseits die Datengrundlage, um das gekoppelte Modell des Warmwasser-Sorptionswärmespeichers zu validieren. Für die Kopplung zwischen Sorptionswärmespeicher und Warmwasserspeicher bilden die Ergebnisse der CFD-Untersuchungen zum Wärmeübergang im Luftspalt eine wichtige Grundlage zur Bestimmung der Modellparameter. Die Zusammenführung der Ergebnisse und Erkenntnisse ist damit die Voraussetzung, dass eine gute Übereinstimmung zwischen Modell und Experiment gelingt.

Die im Rahmen des Forschungsprojekts KoWaSS entwickelten Modelle finden hier Verwendung und werden nachfolgend erläutert. Die Modellierung und Berechnung erfolgt mit dem Anlagen- und Gebäudesimulationsprogramm Trnsys.¹

1Teile des Kapitels wurden bereits in [77] und [78] veröffentlicht