Masterarbeit Florian Schulte

 

Applikation von-kármánscher Wirbelstraßen zur Beeinflussung des Wärmeübergangs in Konvektorschächten

Die vorliegende Arbeit stellt basierend auf simulativen und experimentellen Untersuchungen heraus,
dass die Applikation von-kármánscherWirbelstraßen zur Beeinflussung des Wärmeübergangs
in Konvektorschächten zu einer Erhöhung der Heizleistung von Flachheizkörpern führt. Die bei der
Simulation und den Messungen angewandte Methodik besteht aus der Definition eines Referenzfalls,
welcher eine Kombination aus Konvektorblech und Heizwand darstellt, und einer modifizierten
Geometrie mit einem Zylinder im Konvektorschacht. Für den Referenzfall wird der Parameter
„Schachtbreite“ variiert und für den modifizierten Fall der Zylinderdurchmesser. Die Simulationen
zeigen, dass sich die Luft in der Nähe der Konvektor- und Heizwand im Referenzfall stärker erhitzt
als die Luft in derMitte des Schachts. Hierdurch entsteht eine Schichtung der Luft und es findet nur
eine geringe Durchmischung der Luftschichten statt. Für die Untersuchung der von-kármánschen
Wirbelstraße wird eine Schachtbreite von 28 mm gewählt. Durch die Platzierung eines Kreiszylinders
im unteren Drittel des Konvektorschachts entsteht in dessen Nachlauf eine von-kármánsche
Wirbelstraße, welche für kleinere Zylinderdurchmesser einen stärkeren Einfluss auf die übertragene
Wärme zwischen Stahl und Luft hat. Diese Tendenz wird sowohl durch die Simulation als auch
durch die Messungen belegt. Demnach wird für den kleinsten untersuchten Zylinderdurchmesser
von 8 mm die größte Steigerung der Normheizleistung bei einer Übertemperatur von 50 K mit
5,52 % gemessen. Als Haupteinflussgrößen werden die größeren Geschwindigkeiten und der höhereMassenstrom
aufgrund einer geringeren Versperrung des Kanalquerschnitts identifiziert. Daraus
resultiert eine stärkere Durchmischung der warmen Luftschichten in der Nähe der Stahlwände mit
den kälteren Schichten in der Kanalmitte durch dieWirbel der von-kármánschenWirbelstraße.Dies
erhöht die lokale Temperaturdifferenz zwischen Wand und Luft, welche die treibende Kraft bei der
Wärmeübertragung ist. Bei größeren Zylinderdurchmessern verweilt die Luft aufgrund der niedrigeren
Geschwindigkeiten länger im Konvektorschacht, wodurch höhere Austrittstemperaturen erreicht
werden als bei kleineren Zylindern. Die wirtschaftliche Betrachtung der Heizleistungssteigerung
mittels von-kármánscherWirbelstraßen zeigt ein lohnendes Investmentpotential auf.