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Qualitätssicherung für numerische Berechnungen – Beispiel

Wärmeübertrager

Veröffentlichung der Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG

Christoph Lodes

Serhat Samar

Dr.-Ing. Rolf Sieber

Februar 2016

Kurzfassung

Mit den Zielen, das Vertrauen in numerische Berechnungen zu vertiefen und die Möglichkeiten dieser

Methoden aufzuzeigen, wird von der Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik ein Vergleich der

strömungsmechanischen Simulationsergebnisse mit den Ergebnissen aus der Veröffentlichung von

Özden et al.1 gewagt. Bei der Untersuchung eines Rohrbündelwärmetauschers zeigen sich sehr gute

Übereinstimmungen bei der Betrachtung des Wärmeübergangs und des Druckverlusts. Darüber

hinaus liefert die Kopplung der Strömungsmechanik mit der Strukturmechanik weitere wertvolle

Einblicke in den Wärmetauscher.

Hintergrund

Mit dem Einsatz von numerischen Berechnungen in der Entwicklung geht immer die Notwendigkeit

einer regelmäßigen Verifikation und Validierung der Simulationsergebnisse einher2. Neben harten

Fakten, wie Fehleinschätzungen, die aus fehlerhaften Aussagen von Simulationen3 entstehen können,

dient die Verifikation und die Validierung darüber hinaus zur Entstehung von Vertrauen in die

eingesetzten Methoden. Vor allem eine sinnvolle Regelmäßigkeit in der Verifikation und Validierung

liefert die nötige Grundlage für eine belastbare Prognosefähigkeit4 und Aussagekraft.

Der Einsatz der Simulation kann hierbei sowohl im Vergleich zu wissenschaftlicher Theorie (z.B. bei

Möller et al.5), als auch im Vergleich zu aufgenommen Messdaten oder in Kombination mit statischen

Versuchen, mit dem Ziel der schnelleren und effizienteren Entwicklung (z.B. bei Strehlow et al. 6)

erfolgen. Abgerundet wird die Aussagekraft der Simulationsergebnisse durch ein tiefes Verständnis

der physikalischen Phänomene sowie langjährige Erfahrung in der numerischen Modellierung7.

Vor dem Hintergrund der anspruchsvollen Beschaffung von realen Messdaten und der Problematik

von nicht freigegeben Referenzdaten, dienen vor allem wissenschaftliche Veröffentlichungen, die

einen Vergleich der Simulationsergebnisse mit der Theorie erlauben, als geeignete Basis. Dieser Weg

wird im Rahmen dieser Veröffentlichung auch von der Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG

beschritten. Die numerische Strömungsberechnung eines Rohrbündelwärmeübertragers mit

1 Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010

2 Rabe et al., Verifikation und Validierung für die Simulation in Produktion und Logistik, 2008

3 Rabe et al., Verifikation und Validierung für die Simulation in Produktion und Logistik, 2008

4 Goll et al., Kontinuierliche Validierung hydrodynamischer und morphodynamischer Modelle mit physikalischen

Modellversuchen, 2013 5 Möller et al., Einflussgrößen und numerische Untersuchungen zum Druckverlust oszillierender Strömungen, 2015

6 Strehlow et al., CFD-Simulationen in der Entwicklung von Hochleistungs-Wärmeübertragern, 2008

7 Goll et al., Kontinuierliche Validierung hydrodynamischer und morphodynamischer Modelle mit physikalischen

Modellversuchen, 2013

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Modell des Wärmeübertragers mit 6 Umlenkblechen und

Randbedingungen

Umlenkblechen wird mit den Ergebnissen von Özden et al.8 verglichen. Die Genauigkeit und die

Übertragbarkeit der Ergebnisse bilden so Vertrauen in ähnliche numerische Berechnungen und

können das weitere Vorgehen bestimmen9. Im Anschluss an die erfolgreich durchgeführte

Strömungssimulation können die Ergebnisse als Verknüpfungspunkt für weitere Auslegungen oder

Untersuchungen sein. In dieser Veröffentlichung wird dazu die Strömungsmechanik mit der

Strukturmechanik kombiniert und thermische Verformungen mittels FEM-Simulation untersucht.

Strömungssimulation

Im Rahmen der Veröffentlichung von

Özden et al.10 wurde ein kleiner

Rohrbündelwärmetauscher mit einer

variierenden Anzahl an Umlenkblechen mit

dem Simulationsprogramm ANSYS Fluent

6.3 untersucht und mit theoretischen

Auslegungen verglichen, von denen mit der

Bell-Delaware Methode die größte

Übereinstimmung gefunden wurde. Genau

dieser Wärmetauscher wurde von der

Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik

AG mit dem Simulationsprogramm ANSYS

CFX 16.0 nachgerechnet (siehe

nebenstehende Abbildung). Das Wasser

tritt von unten mit einer

Eintrittstemperatur von 300 K in das

Strömungsgebiet ein, passiert die

Umlenkbleche mit sieben vertikalen

Rohren und verlässt das Strömungsgebiet

oben am Auslass.

Im Vergleich zu den gewählten Sollwerten von Özden et al.11 erzielt die Tintschl BioEnergie und

Strömungstechnik AG sehr gute Übereinstimmungen für die Simulation verschiedener

Umlenkblechabstände und variierender Massenströme (Siehe Tabelle im Anhang). So liegt die

Abweichung der übertragenen Wärmemenge bei maximal 5 – 10 %. Ferner weißen die

Austrittstemperaturen mit maximal 1 % Abweichung eine sehr genaue Übereinstimmung auf.

Während der Berechnung und Auswertung der verschiedenen Variationen, konnte die Tintschl

BioEnergie und Strömungstechnik AG, ähnlich den Erkenntnissen von Özden et al.12, eine offenbare

Sensitivität der Ergebnisse vom gewählten Turbulenzmodell erkennen.

Die folgenden Abbildungen zeigen für den Massenstrom von 0.5 kg s^-1 Stromlinien für verschiedene

Blechteilungen. Die Stromlinien sind dazu mit der Geschwindigkeit eingefärbt.

8 Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010

9 Rabe et al., Verifikation und Validierung für die Simulation in Produktion und Logistik, 2008

10 Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010

11 Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010

12 Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010

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Strömungslinien bei 6 Umlenkblechen und bei einem

Massenstrom von 0,5 kg s^-1

Strömungslinien bei 8 Umlenkblechen und bei einem

Massenstrom von 0,5 kg s^-1

Strömungslinien bei 10 Umlenkblechen und bei einem

Massenstrom von 0,5 kg s^-1

Strömungslinien bei 12 Umlenkblechen und bei einem

Massenstrom von 0,5 kg s^-1

Strukturmechanik

Als Besonderheit, die über die Tätigkeiten der Veröffentlichung von Özden et al.13 hinaus geht,

können die Simulationsergebnisse der Strömungsberechnung auf eine Struktursimulation übertragen

werden. In diesem Sinne dienen die Temperatur- und Druckverteilung der Rohrbündelberechnungen

als Eingabeparameter für die strukturmechanische Berechnung. Als Ausgabe liefert diese Kopplung

beispielsweise die Verformung der Umlenkbleche (siehe Tabelle im Anhang). In den folgenden

Abbildungen ist dazu die Verformung graphisch umgesetzt dargestellt.

13

Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010

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Verformungen der 12 Umlenkbleche bei einem Massenstrom von 2 kg s^-1 .

Vergrößerte Darstellung der maximalen Verformungen bei 12 Umlenkblechen bei einem

Massenstrom von 2 kg s^-1.

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Literaturhinweise

Ender Özden/ Ilker Tari, "Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger”, Energy

Conversion and Management, Vol. 51, No. 5, pp. 1004-1014 (2010), Ankara, 2010

Markus Rabe/ Sven Spieckermann/ Sigrid Wenzel - Verifikation und Validierung für die Simulation in

Produktion und Logistik -Vorgehensmodelle und Techniken, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2008

Dr.-Ing. Andreas Strehlow/ Dr.-Ing. Jörg Leuschner/ Dr.-Ing. Jens Scheffermann - CFD-Simulationen in

der Entwicklung von Hochleistungs-Wärmeübertragern, MTZ - Motortechnische Zeitschrift, Ausgabe

04/2008, Vieweg Verlag, Seite: 334-338

T. Möller/ U. Sénéchal - Einflussgrößen und numerische Untersuchungen zum Druckverlust

oszillierender Strömungen, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, Forschung im Ingenieurwesen,

Ausgabe 01-02/2015

Annalena Goll/ Rebekka Kopmann/ Manuela Baron - Kontinuierliche Validierung hydrodynamischer

und morphodynamischer Modelle mit physikalischen Modellversuchen, WasserWirtschaft, Seite: 28-

33, Vieweg Verlag, Ausgabe 12/2013

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Anhang

In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse der gekoppelten (CFD + FEM) Berechnung eines

Rohrbündelwärmetauschers dargestellt. Dazu werden die Werte der Tintschl BioEnergie und

Strömungstechnik AG (blau) und von Özden et al.14 (gelb) verglichen und zusätzliche die Verformung

der Umlenkbleche angegeben.

14

Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010