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Analysis of fluid dynamics and heat transfer in pillow-plate heat exchangers : = Analyse der Fluiddynamik und des Wärmeübergangs in Kissenplatten-Wärmeübertragern
ger: Kissenplatten-Wärmeübertrager (KPWÜ) bestehen aus einem Paket von Kissenplatten, welche durch ihre wellige "kissenförmige" Oberfläche und vollständig verschweißte Konstruktion gekennzeichnet sind. Sie stellen eine vielversprechende Alternative zu konventionellen Apparaten für die Prozessindustrie dar, jedoch verhindert der Mangel an veröffentlichten Auslegungsgrundlagen ihre verbreitete Anwendung. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, diesen "Engpass" durch die Bereitstellung neuer Dimensionierungsgleichungen für die thermohydraulische Auslegung von KPWÜ zu überwinden. Insbesondere werden die Fluiddynamik und der Wärmeübergang in KPWÜ im Detail mittels Computational Fluid Dynamics (CFD)-Methoden untersucht. Die komplexe Geometrie der Kissenplattenkanäle wird mit Hilfe von Verformungssimulationen, welche auf der Finite-Elemente-Analyse (FEA) basieren, erzeugt. Mit dieser Methode ist es möglich die reale wellenförmige Oberfläche von Kissenplatten genau nachzubilden. Im nächsten Schritt wird eine umfangreiche CFD-Studie zur Fluiddynamik und Wärmeübertragung in den inneren sowie in den äußeren Kanälen von KPWÜ durchgeführt. Die CFD Simulationen werden mit Hilfe von drei Versuchsanlagen, zwei für die Untersuchung der Strömung im inneren Kanal und eine für die Untersuchung der Strömung im äußeren Kanal, validiert. Die validierten numerischen Ergebnisse werden verwendet, um Auslegungsgleichungen für den Druckverlustbeiwert sowie für die Nusselt-Zahl für erzwungene turbulente Strömung in KWPÜ zu entwickeln.
eng: Pillow-plate heat exchangers (PPHE) comprise a stack of pillow plates characterized by their wavy "pillow-shaped" surface and fully welded construction. They represent a promising alternative to conventional equipment for the process industry; however, the lack of published design methods hinders their widespread application. This work aims at overcoming this "bottleneck" by providing new equations for the thermo-hydraulic design of PPHE.In particular, fluid dynamics and heat transfer in PPHE is investigated in detail using Computational Fluid Dynamics (CFD) methods. The complex geometry of the pillow-plate channels is generated using forming simulations based on Finite Element Analysis (FEA). This method provides an accurate reconstruction of the real wavy surface of pillow plates. In the next step, a comprehensive CFD-study of fluid dynamics and heat transfer in the inner and outer channels of PPHE is performed. The CFD simulations are validated using three experimental facilities, two for the investigation of flow in the inner channel and one for the investigation of flow in the outer channel. The validated numerical results are then used to develop design methods for pressure loss and heat transfer for turbulent forced convection in PPHE.