Modellierung des Wärmeübergangs bei nicht ausgebildeter, oszillierender Strömung am Beispiel der Wärmetauscher regenerativer Gaskreisprozesse

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Ziel der vorliegenden Arbeit war es, den Wärmeübergang in den Wärmetausehern regenerativer Gaskreisprozesse unter deren speziellen Randbedingungen, der oszillierenden Durchströmung und der periodischen Kompression und Expansion, zu untersuchen. Dabei sollte die Praxis üblicher Simulationsmodelle regenerativer Gaskreisprozesse, auf für stationäre Strömungen inkompressibler Fluide entwickelte und in der Literatur zahlreich beschriebene Wärmeübergangskorrelationen zurückzugreifen, überprüft und gegebenenfalls ersetzt werden durch die Entwicklung neuer, auf die Randbedingungen regenerativer Gaskreisprozesse zugeschnittener Wärmeübergangskorrelationen. Erste Überlegungen anhand analytischer Lösungen für die ausgebildete, laminare oszillierende Strömung zeigten die Grenzen der Übertragbarkeit der für stationäre Wärmeübergangsprobleme verwendeten Definitionen auf und fiihrten schließlich zu einer verallgemeinerten Beschreibung des Wärmeübergangs und des axialen Enthalpietransports. Auch wurde der Einfluß der periodischen Kompression und Expansion auf den Wärmeübergang in den Wärmetausehern regenerativer Gaskreisprozesse anhand eines vereinfachten Modells untersucht. Im Mittelpunkt der Arbeit stand die Modellierung der zweidimensionalen, sowohl laminaren als auch turbulenten Strömungs- und Temperaturfelder der axialsymmetrischen Rohr- und ebenen Spaltströmung als den beiden Grenzfällen der Ringspalt- bzw. Rechteckkanalströmung, auf deren Ergebnissen aufbauend der Wärmeübergang an das oszillierende Fluide untersucht werden kann. Im Gegensatz zu den analytischen Lösungen können hierbei Eintrittseffekte berücksichtigt werden, die im Fall der oszillierenden Durchströmung der kurzen Wärmetauseher regenerativer Gaskreisprozesse den Wärmeübergang wesentlich beeinflussen. Die Untersuchungen zeigten erhebliche Abweichungen gegenüber einer quasi-stationären Berechnung der Wärmeübertragung sowie einen deutlichen Einfluß der Oszillationsfrequenz auf den Wärmeübergang und sind zusammengefaßt in neu entwickelten Wärmeübergangskorrelationen für die laminare und turbulente oszillierende Durchströmung von Rohren bzw. ebenen Spalten. Den Abschluß der Arbeit bildete die Implementierung der neuen Korrelationen in ein Simulationsprogramm für regenerative Gaskreisprozesse, das für einen Vergleich experimenteller Daten einer an der Universität Dortmund untersuchten Vuilleumier- Wärmepumpe herangezogen wurde. Besonderes Augenmerk richtete sich auf die Wiedergabe der zeitlichen Temperaturverläufe an den Enden des betrachteten Wärmetauschers. Dabei konnte gezeigt werden, daß die entwickelten Wärmeübergangskorrelationen gegenüber einer quasi-stationären Betrachtung eine deutlich bessere Beschreibung des realen Wärmetauscherverhaltens erlauben.