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48,80 €ISBN 978-3-8440-9140-3Softcover166 pages83 figures245 g21 x 14,8 cmEnglishThesis
July 2023
Kevin Akermann
Large-Eddy Simulation of Turbulent Heat Transfer and Particle Deposition in Helically Ribbed Pipes
Structured surfaces on the inner pipe wall affect not only the heat transfer and pressure loss, but also the susceptibility of the pipe to solid deposit. Although accumulations of solids on heat transfer surfaces are a major concern during the operation of heat exchangers, new, further enhanced roughened pipes are mostly developed with regard to heat transfer and pressure loss, neglecting particle deposition. In order to provide successful countermeasures against fouling, it is necessary to obtain more information on particle deposition on structured pipe walls. Results of detailed numerical multiphase simulations can be used to support the development process of internally structured pipes in terms of solid deposit. Therefore, several differently shaped helically rib-roughened pipes are numerically investigated in the present work with regard to heat transfer, to pressure loss, and to their susceptibility to solid deposit. Large-eddy simulations of the flow through structured pipes have been performed and the results of the fluid statistics, heat transfers, and particle statistics are presented in detail. It is shown that the geometrical structure of the wall significantly affects the physics of the fluid flow, the solid particle transport, and the particle accumulation near the wall. Furthermore, the results show that the choice of certain geometrical parameters can help to mitigate particulate fouling.
Raue Oberflächen auf der inneren Rohrwand beeinflussen nicht nur die Wärmeübertragung und den anfallenden Druckverlust, sondern auch die Anfälligkeit des Rohres für Feststoffablagerungen. Obwohl Partikelanhäufungen auf der wärmeübertragenden Fläche ein großes Problem während des Betriebs von Wärmeübertragern darstellen, werden neue, weiter verbesserte Rohre hauptsächlich mit Bezug auf die Wärmeübertragung und des Druckverlusts entwickelt und nicht hinsichtlich der Partikelablagerungen. Um erfolgreiche Gegenmaßnahmen gegen Ablagerungen ergreifen zu können ist es notwendig mehr Informationen über Partikelablagerungen in strukturierten Rohren zu sammeln. Ergebnisse von detaillierten numerischen Mehrphasensimulationen können hierfür eingesetzt werden, wodurch sich der Entwicklungsprozess mit Hinblick auf Partikelablagerungen unterstützen lässt. In der vorliegenden Arbeit werden deshalb Rohre mit unterschiedlich geformten Oberflächen numerisch, in Bezug auf sowohl Wärmeübertragung und Druckverlust, als auch auf die Anfälligkeit auf Partikelablagerungen, untersucht. Large-Eddy Simulationen der Strömung innerhalb der strukturierten Rohre wurden durchgeführt und die Ergebnisse der Strömungen, der übertragenden Wärme und der Partikelablagerungen sind im Detail untersucht. Es wird gezeigt, dass die geometrische Struktur der Wand einen signifikanten Einfluss auf die Physik der Strömung und des Partikeltransports hat. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass die Wahl bestimmter geometrischer Parameter dazu beitragen kann die Verschmutzung durch Partikelablagerungen zu verringern.
Raue Oberflächen auf der inneren Rohrwand beeinflussen nicht nur die Wärmeübertragung und den anfallenden Druckverlust, sondern auch die Anfälligkeit des Rohres für Feststoffablagerungen. Obwohl Partikelanhäufungen auf der wärmeübertragenden Fläche ein großes Problem während des Betriebs von Wärmeübertragern darstellen, werden neue, weiter verbesserte Rohre hauptsächlich mit Bezug auf die Wärmeübertragung und des Druckverlusts entwickelt und nicht hinsichtlich der Partikelablagerungen. Um erfolgreiche Gegenmaßnahmen gegen Ablagerungen ergreifen zu können ist es notwendig mehr Informationen über Partikelablagerungen in strukturierten Rohren zu sammeln. Ergebnisse von detaillierten numerischen Mehrphasensimulationen können hierfür eingesetzt werden, wodurch sich der Entwicklungsprozess mit Hinblick auf Partikelablagerungen unterstützen lässt. In der vorliegenden Arbeit werden deshalb Rohre mit unterschiedlich geformten Oberflächen numerisch, in Bezug auf sowohl Wärmeübertragung und Druckverlust, als auch auf die Anfälligkeit auf Partikelablagerungen, untersucht. Large-Eddy Simulationen der Strömung innerhalb der strukturierten Rohre wurden durchgeführt und die Ergebnisse der Strömungen, der übertragenden Wärme und der Partikelablagerungen sind im Detail untersucht. Es wird gezeigt, dass die geometrische Struktur der Wand einen signifikanten Einfluss auf die Physik der Strömung und des Partikeltransports hat. Die Ergebnisse zeigen zudem, dass die Wahl bestimmter geometrischer Parameter dazu beitragen kann die Verschmutzung durch Partikelablagerungen zu verringern.
Keywords: Strömungsmechanik; Wärmeübertragung; turbulente Rohrströmung
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