Konvektiver Wärmetransport an mikrostrukturierten Oberflächen (Band 14)

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Kurzbeschreibung

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist der einphasige, konvektive Wärmetransport an mikrostrukturierten Heizflächen. Die untersuchten Strukturen, die über eine definierte Form und Abmessung verfügen, wurden im Hinblick auf ihr Potential, den konvektiven Wärmetransport effizient zu verbessern, bewertet. Die Bewertung erfolgte anhand der thermischen Effizienz, dem Verhältnis aus Wärmeübergangsverbesserung und Druckverlusterhöhung, sowie auf Basis der „Second Law Analysis“, mit der die Entropieproduktion infolge von Irreversibilitäten bestimmt wird. Eine Mikrokanalkonstruktion zur Messung des integralen Wärmeübergangskoeffizienten und des Druckverlusts wurde zur Untersuchung von Heizflächen mit unterschiedlichem Bedeckungsgrad entwickelt. Parameterstudien, in denen charakteristische Beschaffenheiten, wie der periodische Abstand P/e, die relative Rauheit e/H und der Bedeckungsgrad der Heizfläche, variiert worden sind, wurden mittels CFD-Simulation für laminare, transiente und turbulente Strömungen durchgeführt.

In vereinfachten, 2-dimensionalen Kanälen wurde die Strömung für 2-dimensionale Rauheiten am Beispiel von rechteckförmigen Rippen nachgebildet. Die Auftragung der thermischen Effizienz über der turbulenten Rauhigkeitskennzahl ks+ hat ergeben, dass sich die 2-dimensionalen Strukturen wie überlagerte Rauheiten verhalten und die thermische Effizienz mit der Modellgleichung von [Nunner.1956] approximiert werden kann. Bei der Simulation von 3-dimensionalen Rauheiten zeigte sich, dass die Ansätze anderer Autoren zur Modellierung von integralen Rauheiten nicht für versetzt angeordnete Strukturen verwendet werden können.

Die experimentelle Untersuchung strukturierter Kanäle mit versetzt angeordneten Würfeln und einem variierenden Bedeckungsgrad (3 % <  < 31 %) hat ergeben, dass ausschließlich unter laminaren Bedingungen (Re < 2000) die Wärmeübergangsverbesserung die Druckverlusterhöhung übersteigt. Insgesamt wurde eine thermische Effizienz von maximal 20 % erzielt. Ein Einfluss der Wärmeübergangssteigerung sowie der Effizienz durch die Variation des Bedeckungsgrades wurde zudem für Oberflächen mit konstanter Wärmeübertragungsfläche identifiziert. Es hat sich gezeigt, dass bei Bedeckungsgraden zwischen 25 % und 31 % die maximale Wärmeübergangsverbesserung und Effizienz erzielt wird. Ein Vergleich rauer und glatter Oberflächen hat weiterhin ergeben, dass durch die Strukturierung mit versetzt zueinander angeordneten Elementen die Entropieproduktion um das 3-fache reduziert werden kann. Es ist gelungen zu zeigen, dass eine Strukturierung der wärmeübertragenden Flächen mit versetzten Rauheiten eine geeignete Methode ist, den einphasigen, konvektiven Wärmetransport in miniaturisierten Bauteilen, für die laminare Strömungsverhältnisse charakteristisch sind, effizient zu steigern.

Description

This thesis focuses on the single-phase, convective heat transfer of microstructured heat transfer surfaces. Microstructures with a well-defined shape and arrangement as well as precise dimensions were evaluated in terms of their capability to improve the convective heat transfer. A thermal efficiency index, defined by the ratio of heat transfer enhancement and the increase of pressure drop, and an entropic efficiency index based on the “`Second Law Analysis”’, in which the entropy production as a result of irreversibility is determined, were used as assessment criteria. A modular microchannel device was developed to estimate the integral convective heat transfer coefficient and to measure the pressure loss along the channel for heat transfer surfaces with various surface coverages. Characteristic quantities of 2- and 3-dimensional roughness structures, like the pitch-to-height-ratio P/e, the relative roughness e/H and the percentage surface coverage, were varied by evaluating parameter studies under laminar, transient and turbulent flow conditions using CFD simulation.

The fluid flow and heat transfer in a channel with rectangular fins, which represent 2-dimensional roughness, was simulated by using a simplified 2-dimensional channel geometry. Depicting the thermal efficiency index as a function of the dimensionless roughness parameter ks+ revealed that for turbulent liquid flow the investigated 2-dimensional structures behave like superimposed roughnesses. For these the correlation from [Nunner.1956] is suited to approximate the thermal efficiency. Furthermore, it turned out that approaches for integral roughnesses from other authors cannot be used to estimate the thermal efficiency of 3-dimensional roughnesses with a staggered arrangement of the roughness elements.

Experiments in microstructured channels with cubes in a staggered arrangement and different surface coverages (3 % <  < 31 %) revealed that the heat transfer enhancement exceeds the increase of pressure drop only for laminar flow conditions (Re < 2000). Overall, a thermal efficiency up to 20 % was achieved. Clearly, the degree of surface coverage for heating surfaces with the same transfer area influences the heat transfer enhancement as well as the thermal and entropic efficiency. A maximum in heat transfer enhancement and efficiency turned out between a surface coverage of 25 % and 31 %. Moreover, comparisons between rough and smooth surfaces showed that a surface structuring with staggered elements resulted in a lower entropy production, namely by a factor of three. Overall, this work demonstrates that a surface modification with staggered roughness elements is an appropriate method to enhance the convective heat transfer in microfluidic devices, wherein laminar flow conditions are prevalent, in an efficient way.