Prototypen & Validierung
Von der Referenzanalyse zur experimentell bestätigten Innovation
Die Entwicklung der patentierten Wärmetauschergeometrien basiert auf einem systematischen und wissenschaftlich abgesicherten Vorgehen.
Zunächst wurde ein handelsüblicher Lamellenrohr-Wärmetauscher am Markt beschafft. Dieser diente als Referenzmodell für die numerische Simulation sowie für experimentelle Untersuchungen im Labor. Ziel war es, die Übereinstimmung zwischen:
- Herstellerangaben
- numerischer Simulation
- und laborbasierter Messung
zu überprüfen und sicherzustellen.
Die Ergebnisse zeigten eine hohe Übereinstimmung zwischen Simulation, experimenteller Validierung und den technischen Daten des Herstellers. Damit war eine belastbare Referenzbasis geschaffen.
Numerische Auslegung der patentierten Geometrien
Auf Grundlage dieser validierten Referenz wurden Wärmetauscher nach den patentierten Konzepten – Lamellenversetzung und Zickzackform – konstruktiv ausgelegt und zunächst numerisch untersucht.
Die Simulationen wurden systematisch ausgewertet und mit analytischen Berechnungen verglichen.
Die Resultate bestätigten die theoretischen Erwartungen und zeigten signifikante Verbesserungen hinsichtlich:
- Wärmeübertragung
- Druckverlustverhalten
- Energiebedarf
Musterbau & experimentelle Untersuchung
Auf Basis der positiven Simulationsergebnisse wurden zwei Prototypen gefertigt und im Labor untersucht.
Die experimentellen Ergebnisse bestätigten die numerischen Prognosen und analytischen Auswertungen.
Die gewonnenen Daten zeigen konsistent:
- eine signifikante Effizienzsteigerung
- eine verbesserte strömungstechnische Performance
Diese Validierung unter realen Bedingungen unterstreicht die industrielle Relevanz und Zukunftsfähigkeit der Technologie.
Weiterentwicklung: Effizienz UND Materialreduktion
Im nächsten Entwicklungsschritt wurden die Zielsetzungen erweitert.
Nicht nur die Erhöhung der Wärmeübertragung stand im Fokus, sondern auch:
- die Reduzierung des Materialeinsatzes
- die Verringerung des Bauvolumens
- die Optimierung der Ressourceneffizienz
Durch die geometrische Optimierung konnte gezeigt werden, dass bei gleicher oder verbesserter Wärmeleistung:
- weniger Rohr- und Lamellenmaterial erforderlich ist
- das Gesamtvolumen reduziert werden kann
- kompaktere und ressourceneffizientere Bauformen realisierbar sind
Im folgenden Abschnitt werden die Ergebnisse zur Material- und Volumenreduktion detailliert dargestellt.
Experimentelle Untersuchung von Wärmeübertragern im Windkanal
Zur experimentellen Analyse von Wärmeübertragern können Windkanäle eingesetzt werden. Diese Einrichtungen dienen dazu, die thermischen Eigenschaften der Wärmeübertrager unter realistischen Bedingungen zu ermitteln, indem sie durch strömungsnahe Bedingungen getestet werden.
Der Windkanal besteht aus mehreren Komponenten: Ein Ventilator (1) saugt die Luft an und erzeugt damit die Luftströmung. Ein Gleichrichterelement (2) sorgt für eine gleichmäßige, unverwirbelte Strömung im Windkanal. Der Diffusor (4) dient zur Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit und zur Druckrückgewinnung, während eine Düse (3) die Strömung beschleunigt. In der Messstrecke können schließlich die Wärmeübertrager eingehend untersucht werden.
ANSYS FLUENT
Die numerische Strömungsmechanik umfasst Methoden zur Modellierung und Simulation von Strömungs- und Wärmeübertragungsprozessen. Für die Durchführung von Simulationsberechnungen ist ein repräsentatives Modell erforderlich, das die Realität adäquat abbildet.
Der Schwerpunkt liegt auf der numerischen Simulation der luftseitigen Strömungs- und Wärmeübergangsprozesse. Die Berechnungen erfolgen mithilfe der CFD-Software ANSYS FLUENT, basierend auf den Navier-Stokes-Gleichungen sowie den Turbulenztransportgleichungen . Die Turbulenzmodellierung wird unter Verwendung des RNG-k-ε-Modells durchgeführt.

Konventioneller Wärmetauscher
Innovative alternative Designs für Wärmetauscher
Materialeinsparung und Energieeffizienz durch innovative Konstruktionen von Wärmeübertragern

- Größe: 280x200x140 (LxBxH)
- Wärmestrom: 1984 W

- Größe: 280x153x140 (LxBxH)
- Wärmestrom: 1984 W
- Materialersparnis: 21%
- Volumen-Ersparnis: 23%

- Größe: 280x128x140 (LxBxH)
- Wärmestrom: 1984 W
- Materialersparnis: 40%
- Volumen-Ersparnis: 46%

Konventioneller Wärmetauscher

Konventioneller Wärmetauscher ohne Gehäuse

- Größe: 280x200x140 (LxBxH)
- Wärmestrom: 1984 W

- Größe: 280x190x105 (LxBxH)
- Wärmestrom: 1984 W
- Materialeinsparung: 33%
- Volumen-Ersparnis: 29%

- Größe: 280x167x105 (LxBxH)
- Wärmestrom: 1984 W
- Materialeinsparung: 13%
- Volumen-Ersparnis: 37%

- Größe: 280x128x140 (LxBxH)
- Wärmestrom: 1984 W
- Materialeinsparung: 40%
- Volumen-Ersparnis: 46%

- Größe: 280x153x140 (LxBxH)
- Wärmestrom: 1984 W
- Materialeinsparung: 21%
- Volumen-Ersparnis: 23%

- Größe: 280x320x70 (LxBxH)
- Wärmestrom: 1984 W
- Materialeinsparung: 44%
- Volumen-Ersparnis: 20%




