Konvektiver Wärmetransport an mikrostrukturierten Oberflächen

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.