Qualitätssicherung für numerische Berechnungen Beispiel Wärmeübertrager

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1 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 einher 2. Neben harten Fakten, wie Fehleinschätzungen, die aus fehlerhaften Aussagen von Simulationen 3 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 Prognosefähigkeit 4 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 Modellierung 7. 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, Rabe et al., Verifikation und Validierung für die Simulation in Produktion und Logistik, Rabe et al., Verifikation und Validierung für die Simulation in Produktion und Logistik, Goll et al., Kontinuierliche Validierung hydrodynamischer und morphodynamischer Modelle mit physikalischen Modellversuchen, Möller et al., Einflussgrößen und numerische Untersuchungen zum Druckverlust oszillierender Strömungen, Strehlow et al., CFD-Simulationen in der Entwicklung von Hochleistungs-Wärmeübertragern, Goll et al., Kontinuierliche Validierung hydrodynamischer und morphodynamischer Modelle mit physikalischen Modellversuchen, 2013 Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG, Goerdelerstraße 21, Erlangen, phone: +49 (9131) Seite 1 von 6

2 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 bestimmen 9. 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. Modell des Wärmeübertragers mit 6 Umlenkblechen und Randbedingungen 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, Rabe et al., Verifikation und Validierung für die Simulation in Produktion und Logistik, Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, Özden et al, Shell side CFD Analysis of a Small Shell-and-tube Heat Exchanger, 2010 Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG, Goerdelerstraße 21, Erlangen, phone: +49 (9131) Seite 2 von 6

3 Strömungslinien bei 6 Umlenkblechen und bei einem Strömungslinien bei 8 Umlenkblechen und bei einem Strömungslinien bei 10 Umlenkblechen und bei einem Strömungslinien bei 12 Umlenkblechen und bei einem 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 Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG, Goerdelerstraße 21, Erlangen, phone: +49 (9131) Seite 3 von 6

4 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. Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG, Goerdelerstraße 21, Erlangen, phone: +49 (9131) Seite 4 von 6

5 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 (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: 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 Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG, Goerdelerstraße 21, Erlangen, phone: +49 (9131) Seite 5 von 6

6 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 Tintschl BioEnergie und Strömungstechnik AG, Goerdelerstraße 21, Erlangen, phone: +49 (9131) Seite 6 von 6