Wie sich das Design von Wärmetauschern mittels Multiphysik-Simulation optimieren lässt

– all diese Szenarien erfordern Wärmetauschertechnik. Die thermofin GmbH stellt sicher, dass ihre Wärmetauschergeräte mittels Multiphysik-Simulation für die unterschiedlichen Kundenbedürfnisse optimiert werden.

Allein in den Vereinigten Staaten wurden 2018 schätzungsweise 93,4 Millionen Tonnen an Lebensmitteln weggeworfen – eine Menge, die größer ist als das Gewicht von 600.000 durchschnittlich großen Blauwalen. Ein Großteil der Lebensmittelabfälle landet auf Mülldeponien, wo sie sich zersetzen und Methan produzieren. Die US-amerikanische Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde (FDA) berichtet sogar, dass Lebensmittelabfälle den größten Prozentsatz des Materials auf Deponien ausmachen. Lebensmittel können in jeder Phase ihres Lebenszyklus verschwendet werden. Deshalb ist es sowohl für die Verbraucher als auch für die Lebensmittelindustrie wichtig, Lösungen zu finden, um dieses Problem zu verringern. Eine Möglichkeit, die Lebensmittelverschwendung auf industrieller Ebene zu reduzieren, besteht darin, Verbrauchsgüter ordnungsgemäß zu lagern, bevor sie bei den Kunden zu Hause ankommen.

Die thermofin GmbH, ein führender Hersteller von Wärmetauschern, entwickelt Technologien, die diese Lösung Wirklichkeit werden lassen. Ihre Wärmetauscher werden in Klima- und Kälteanlagen in Gewerbe- und Industriegebäuden auf der ganzen Welt eingesetzt. Ihre Geräte finden sich in Supermärkten, Kühlhäusern, Eisstadien, Kraftwerken und mehr. Julius Heik, Entwicklungsingenieur für Thermodynamik bei der thermofin GmbH, führt Simulationen durch, um sicherzustellen, dass ihre Wärmetauscher für spezifische Anwendungsfälle und Kundenbedürfnisse optimiert sind.

Was gefällt Heik an der Arbeit mit der Multiphysik-Simulation am besten? Man kann sich Wissen aneignen, bevor die eigentlichen Messungen durchgeführt werden.

Seit der Gründung im Jahr 2002 ist die thermofin GmbH von 6 auf über 500 Mitarbeiter angewachsen. Sie haben Produktionsstandorte auf mehreren Kontinenten. Ihre zuverlässigen Wärmetauscher haben sie zu einer beliebten Wahl in der Kälte- und Klimabranche gemacht.

Mittels Multiphysik-Simulation: Entwurf von optimierten Wärmetauschern

Wärmetauscher – das hört sich nach einem einfachen Konzept an, tatsächlich kann ihre Konstruktion aber recht anspruchsvoll sein. Die wesentliche Aufgabe bei der Kühlung eines Produkts besteht darin, unerwünschte Wärme abzuführen und somit verderblichen Waren thermische Energie zu entziehen. An dieser Stelle kommt das Kältemittel eines Kühlkreislaufs ins Spiel. Durch den Phasenwechsel des Kältemittels von einem flüssigen in einen dampfförmigen Zustand entzieht der Wärmetauscher der Umgebung Wärme. Diese Wärme muss dann an einen zweiten Wärmetauscher weitergeleitet werden, der diese Energie an anderer Stelle wieder an die Umgebung abgibt.

In transkritischen CO2-Kältekreisläufen kühlt ein sogenannter Gaskühler das Kältemittel in einem Wärmetauscher. Der Name „Gaskühler“ stiftet oft Verwirrung, da er den Anschein erweckt, dass er Gas zur Kühlung seiner Umgebung verwendet. Die Konstruktion von Wärmetauschern im Allgemeinen und von Gaskühlern im Besonderen ist laut Heik mit einer Reihe von Schwierigkeiten verbunden. Beim Streben nach besseren, energiesparenderen Kältekreisläufen leisten ausgereifte Wärmetauscher-Konstruktionen einen wesentlichen Beitrag.

Wie viele andere Kühlsysteme sind auch Gaskühler so konzipiert, dass sie die Umwelt so wenig wie möglich belasten, weshalb sie das natürliche Kältemittel CO2 verwenden. Im Supermarktsektor beispielsweise wird heute fast ausschließlich CO2 verwendet, da es als ungefährliches Gas (Sicherheitsgruppe A1) eingestuft ist. Aufgrund seiner Eigenschaften muss es jedoch seine Wärme bei Lufttemperaturen über 20-25°C, im so genannten transkritischen Bereich, abführen. Deshalb haben diese Systeme eine große Temperaturdifferenz, bestehen aus vielen verschiedenen Kreisläufen und sind aus einer Vielzahl von Materialien aufgebaut. Mit Hilfe der Multiphysik-Simulation ist Heik in der Lage, die Luftströmung und die Materialeigenschaften dieser Geräte effizient und zeitgleich zu analysieren.

Effiziente Luftströmung und Materialeigenschaften dank Multiphysik-Simulation

Die Konstruktion der inneren Rippenrohre stellt eine weitere einzigartige Herausforderung bei der Entwicklung von Wärmetauschern dar. Diese Rohre werden in Wärmetauschern verwendet, um eine heiße Flüssigkeit in eine kalte Flüssigkeit umzuwandeln oder umgekehrt. Die Anordnung, der Durchmesser, das Material (bei Verwendung von Ammoniak ist Edelstahl erforderlich) und der Rippenabstand dieser Rippenrohre hängen von der Art des Wärmetauschers ab, in dem sie zum Einsatz kommen. „Es gibt nicht viele Messdaten darüber, wie diese Rohre funktionieren“, sagt Heik. Mit Hilfe von Simulationen kann er besser verstehen, wie sich Rippenrohre auf die Konstruktion eines Wärmetauschers auswirken, indem er mehrere Rohrgeometrien modelliert und ihre inneren und äußeren Wärmeübertragungsfähigkeiten untersucht. Die Rippenrohrgeometrien, welche die beste Leistung bieten, werden gebaut und in einer eigenen Versuchsstation getestet. „Wir prüfen, ob die Berechnungen und Ergebnisse gleich oder ähnlich sind, und nehmen dann das beste Rohr für unsere industrielle Linie“, so Heik.

Kühlraum-Simulationen

Die thermofin GmbH führt nicht nur Simulationen der Wärmetauschertechnologie durch, sondern simuliert auch die Kühllager ihrer Kunden. Für ein bestimmtes Projekt bat ein Kunde um Hilfe bei der Planung eines Fleischlagerraums, der mehrere Roboter für die Lagerung des Fleisches umfassen sollte. In diesem Lagerraum wird das Fleisch bei Raumtemperatur eingelagert und muss abgekühlt werden, bevor es in einen anderen Kühlraum gebracht werden kann. „Es war wichtig, dass die Luftgeschwindigkeit im Raum nicht zu hoch war, damit das Fleisch nicht von den Robotern herunterfällt, und andererseits war es sehr wichtig, dass jeder Bereich im Raum die gleiche oder eine ähnliche Luftmenge erhält“, sagte Heik.

Verschiedene Kriterien bei der Durchführung der Kühlraumsimulationen

Bei der Durchführung von Kühlraumsimulationen wie dieser müssen mehrere Kriterien berücksichtigt werden, darunter die Temperaturverteilung, die Luftstromverteilung, die relative Luftfeuchtigkeit, die angrenzenden Wärmelasten und die natürliche Konvektion. Zunächst ging die thermofin GmbH davon aus, dass ihr Kunde fünf Wärmetauscher einsetzen müsste, um eine gleichmäßige Luftverteilung im Lagerraum zu erreichen.

Nachdem er einen Raum mit fünf Geräten simuliert hatte, bemerkte Heik: „Die Rückströmung der Luft würde teilweise in die Zwischendecke übergehen“. Um dieses Problem zu beheben, simulierte Heik einige luftleitende Adern im Raum. Diese tragen zu einer gleichmäßigen Rückströmung bei und sollen letztlich die Anzahl der Wirbel im Raum reduzieren. Auf Anraten der thermofin GmbH setzte der Kunde schließlich fünf thermofin-Geräte ein und baute seinen Lagerraum mit luftführenden Adern aus. Laut Heik ist der Kunde mit dem Ergebnis zufrieden und hat noch keine Fälle von herunterfallendem Fleisch erlebt.

Die Zukunft der Wärmetauschertechnologie

Da die thermofin GmbH weiterhin weltweit expandiert, wachsen auch ihre Pläne für innovative Simulationsarbeiten weiter. „In unseren zukünftigen Forschungsplänen wollen wir [Wärmetauscher mit einer] neuen Lamellenform entwerfen“, sagt Heik. Eine solche Änderung erfordert, dass die Rohre des Wärmetauschers im Durchmesser vergrößert werden. Um diese Änderung erfolgreich umzusetzen, muss die thermofin GmbH zunächst den optimalen Abstand zwischen den Rohren finden. „Für eine neue Lamellengeometrie müssten wir diese erst simulieren, bevor wir die Werkzeuge für die Herstellung kaufen“, so Heik. Eine solche Änderung könnte dazu beitragen, die Wärmeübertragungseigenschaften ihrer Wärmetauscher zu verbessern.

Von Rachel Keatley.

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