Kanal mit flügelförmigen Strömungshindernissen (2D)

5.2. WÄRMEÜBERGANG IM QUER ANGESTRÖMTEN KANAL 97 20 °C. Die Kanäle haben jeweils eine Länge von 0,975 m. Im Modell schließt sich daran eine glatte Auslaufstrecke an, um Einflüsse des Auslasses auf das Berechnungsgebiet zu vermeiden.

Für alle Varianten gilt, dass sich der höchste Wärmeübergang bei jedem Hindernis auf der angeströmten Seite kurz vor dem höchsten Hindernispunkt, also nahe des kleinsten Strömungsquerschnitts im Kanal ergibt. Die Werte dieser Maxima steigen für jedes Hindernis entlang des Kanals an, da die Strömungsgeschwindigkeit entlang des Kanals zunimmt. Zwischen den Hindernissen kann grundsätzlich zwischen drei Strömungsverhältnissen unterschieden werden.

Zu Beginn des Kanals folgt die Strömung weitestgehend der Hinderniskontur. Nach dem absoluten Maximum kurz vor dem höchsten Hindernispunkt sinkt der Wärmeübergang zunächst steil und im weiteren Verlauf auf dem Hindernisrücken flacher ab. Am Ende eines Hindernisses und am Anfang des nächsten liegt jeweils ein sehr kleines Rezirkulati-onsgebiet vor. Dort befinden sich Minima des Wärmeübergangs, dazwischen, dort wo sich die Strömung wieder an die Wand anlegt, liegt ein lokales Maximum.

Stromabwärts im Kanal, d.h. mit steigender Strömungsgeschwindigkeit, wachsen beide Rezirkulationsgebiete an, bis diese den gesamten Raum vom Hindernisrücken bis zum nächsten Hindernis ausfüllen. Der Wärmeübergang zwischen den Hindernissen sinkt daher deutlich ab, da der Austausch mit der Hauptströmung dort nur noch eingeschränkt stattfindet. Zumeist treten zwei lokale Minima auf, die sich am Ende oder am Anfang eines Hindernisses befinden können, oder, sofern sich die beiden Rezirkulationsgebiete noch nicht zusammengeschlossen haben, dort wo diese aufeinandertreffen.

Weiter stromabwärts und mit weiter steigender Strömungsgeschwindigkeit bilden sich bei einigen Geometrievarianten die Rezirkulationsgebiete wieder zurück. Damit einher

Tabelle 5: Variation der geometrischen Verhältnisse im Kanal mit flügelförmigen Strö-mungshindernissen

Kanalhöhe Hindernisabstand Hindernishöhe Hindernislänge Hindernisanzahl

H p p/e e e/H b b/e n

mm mm - mm - mm -

-p/e= 10 15 60 10 6 0,4 50,4 8,4 15

p/e= 12,5 15 75 12,5 6 0,4 50,4 8,4 12

p/e= 15 15 90 15 6 0,4 50,4 8,4 10

p/e= 16,67 15 100 16,67 6 0,4 50,4 8,4 9

e/H= 0,3 15 60 10 4,5 0,3 50,4 11,2 15

e/H= 0,4 15 60 10 6 0,4 50,4 8,4 15

e/H= 0,5 15 60 10 7,5 0,5 50,4 6,72 15

b/e= 8,4 15 60 10 6 0,4 50,4 8,4 15

b/e= 6,67 15 60 10 6 0,4 40 6,67 15

b/e= 5,6 15 60 10 6 0,4 33,6 5,6 15

b/e= 5 15 60 10 6 0,4 30 5 15

Die Variantenp/e= 10,e/H= 0,4 undb/e= 8,4 sind identisch

geht ein starker Anstieg der Wärmeübertragung. Die Strömung legt sich bereits auf dem Hindernisrücken wieder an, was dort zu einem lokalen Maximum der Wärmeübertragung führt. Am Hindernisende sowie vor dem nächsten Hindernis bleiben weiterhin Minima bestehen.

Je nach Geometrievariante werden diese drei Zustände an unterschiedlichen Stellen im Kanal beobachtet.

5.2.3.1 Einfluss des Höhenverhältnisses von Strömungshindernissen und Kanal, e/H

In Abbildung 60 ist die lokale Nusselt-Zahl entlang des Kanals für drei e/H-Verhältnisse aufgetragen. Darin ist für e/H = 0,5 ein deutlicher Anstieg der lokalen Nusselt-Zahl ab dem 12. Hindernis zu erkennen. Dort lösen sich die Rezirkulationsgebiete auf und der Turbulenzgrad steigt. Füre/H = 0,4 und e/H = 0,3 beginnt dieser Anstieg erst ab dem 15. Hindernis.

Die Entwicklung des Turbulenzgrads ist in Abbildung 61 für das Verhältnis e/H = 0,5 dargestellt. Der Turbulenzgrad, der sich nach Gleichung 17 berechnet, steigt ab dem 11. Hindernis erkennbar an. Der Anstieg der turbulenten kinetischen Energie beginnt innerhalb des Rezirkulationsgebiets. Hinter dem nächsten Hindernis ist das Rezirkula-tionsgebiet zurückgebildet und die Turbulenz breitet sich weiter über die Kanalhöhe aus. Ein weiteres Hindernis stromabwärts ist eine erhöhte Turbulenz über der gesamten Kanalhöhe vorhanden.

Die Ausbildung der Turbulenz verläuft für alle Varianten ähnlich, tritt aber an unter-schiedlichen Stellen im Kanal auf. Eine Darstellung der Geschwindigkeits- und Turbu-lenzgradprofile für alle Varianten befindet sich im Anhang E.1.

Abbildung 60: Lokale Nusselt-Zahl bei Variation der Hindernishöhe (e/H-Verhältnis)

5.2. WÄRMEÜBERGANG IM QUER ANGESTRÖMTEN KANAL 99

Abbildung 61: Turbulenzgrad und Stromlinien für die Variante e/H = 0,5 10. bis 12. Hindernis (links), 13. bis 15. Hindernis (rechts)

5.2.3.2 Einfluss der Länge der Strömungshindernisse, b/e

Je kürzer die Hindernisse, je kleiner also das b/e-Verhältnis, desto früher im Kanal wird Turbulenz angeregt (vergleiche Abbildung 62). Ein Anstieg der lokalen Nusselt-Zahl tritt für b/e= 5 und b/e = 5,6 ab dem 12. Hindernis auf, bei b/e= 6,67 ab dem 14. und bei b/e = 8,4 ab dem 15. Hindernis. Die Profilform des Turbulenzgrads verhält sich analog zu den in Abbildung 61 für die Variante e/H = 0,5 gezeigten Turbulenzgradprofilen.

5.2.3.3 Einfluss des Abstands der Strömungshindernisse, p/e

Ein signifikantes Ansteigen der Turbulenz wird bei keiner der vier untersuchten p/e-Varianten beobachtet (Abbildung 63). Erst am Kanalende zeichnet sich eine beginnende

Abbildung 62: Lokale Nusselt-Zahl bei Variation der Hindernislänge (b/e-Verhältnis)

Abbildung 63: Lokale Nusselt-Zahl bei Variation des Hindernisabstands (p/e-Verhältnis)

Erhöhung des Wärmeübergangs ab. Bei größerem Hindernisabstand befinden sich weniger Hindernisse im Kanal und damit weniger Eng- bzw. Aufprallstellen, an denen Maxima der Nusselt-Zahl auftreten. Der mittlere Wärmeübergang im Kanal ist dennoch für alle Varianten ähnlich.

5.2.3.4 Zusammenfassung

In Abbildung 64 und in Tabelle 6 sind die Ergebnisse aller Varianten zusammengefasst.

Je höher die Strömungshindernisse im Verhältnis zur Kanalhöhe sind, desto früher im Kanal erfolgt die Anregung von Turbulenz und desto größer ist der mittlere

Wärme-5.2. WÄRMEÜBERGANG IM QUER ANGESTRÖMTEN KANAL 101

Abbildung 64: Mittlere Nusselt-Zahl je Hindernis für alle Geometrievarianten

Tabelle 6: Ergebnisse der Geometrievarianten im Kanal mit flügelförmigen Strömungs-hindernissen

Nusselt-Zahl Druckverlust Effektivität Wärmestromdichte

Nu Δ p η q˙

- Pa - W/m²

glatter Kanal 7,8 5,0 1,00 256,3

p/e = 10 8,7 10,2 0,89 267,6

p/e = 12,5 8,7 9,4 0,91 266,3

p/e = 15 8,8 9,0 0,93 267,1

p/e = 16,67 8,9 8,8 0,95 269,5

e/H = 0,3 8,5 7,5 0,96 259,6

e/H = 0,4 8,7 10,2 0,89 267,6

e/H = 0,5 15,7 23,4 1,21 469,2

b/e = 8,4 8,7 10,2 0,89 267,6

b/e = 6,67 10,7 8,4 1,15 324,7

b/e = 5,6 13,8 16,9 1,18 421,2

b/e = 5 14,2 15,7 1,25 429,6

übergang. Mit steigendem e/H-Verhältnis wird auch der Druckverlust größer. Je kürzer die Strömungshindernisse sind, desto größer ist der mittlere Wärmeübergang und desto größer wird in der Regel der Druckverlust. Mit zunehmendem Abstand der Strömungs-hindernisse sinkt der Druckverlust leicht ab. Insgesamt hat der Hindernisabstand im untersuchten Bereich keinen großen Einfluss auf Wärmeübergang, Druckverlust und Effektivität, während sich diese Größen durch die Variation von e/H und b/e deutlich beeinflussen lassen.

Die Untersuchungen machen deutlich, dass eine Erhöhung des Wärmeübergangs durch Strömungshindernisse erreicht werden kann. Dies erfolgt aber für die untersuchten Konfi-gurationen, wenn überhaupt, erst im hinteren Drittel des Kanals. Im vorderen Bereich ist die Reynolds-Zahl zu gering, als dass dort Turbulenz angeregt werden könnte. Der Druck-verlust im Luftkanal steigt erwartungsgemäß durch den Einsatz der Strömungshindernisse, bleibt aber kleiner als der Druckverlust im Festbett des Radialstromadsorbers, der bei einem Luftvolumenstrom von 150 m³/h etwa 30 Pa beträgt. Der größte Wärmeübergang wie auch die größte Effektivität lässt sich mit e/H = 0,5 erreichen.