Development of a wind tunnel to investigate condensation effects on heat exchangers

Abstract

Die Diplomarbeit beschäftigt sich mit dem Aufbau eines Windkanals im Labormaßstab. In diesem soll online die Kondensation an Wärmeübertragergeometrien bei Verwendung verschiedener Kältemittel untersucht werden. Der Wärmeübertrager wird von feuchter Luft mit einem bestimmten Volumenstrom, einer bestimmten Temperatur und Feuchtigkeit angeströmt. Da er unter dem Taupunkt der Luft gekühlt ist, kondensiert Wasser an seiner Oberfläche. Zwei Waagen messen die Masse des am Wärmeübertrager anfallenden Kondensats und die des abtropfenden Kondensats. Zusammen mit der ermittelten Messdauer können dann Kondensatraten bestimmt werden. Ebenfalls untersucht wird der Wärmeübertrag zum Wärmeübertrager.<br />Im Zuge der Diplomarbeit wurden zwei verschiedene Wärmeübertragergeometrien für Experimente verwendet. Diese waren ein Rohrbündel und eine Kupferplatte, die beide mit Wasser gekühlt wurden.<br />Experimente mit verschiedenen Volumenströmen der feuchten Luft und verschiedenen Eintrittstemperatur des Kühlwassers wurden für diese zwei Konfigurationen durchgeführt und von jeder Messung jeweils die Masse- und Energiebilanz ausgewertet und analysiert. Mittels Particle Image Velocimetry (PIV) wurde der Windkanal vermessen um die Strömungsverteilung zu ermitteln. Es zeigte sich der Trend, dass mit höherem Volumenstrom und niedrigerer Kühltemperatur die Kondensatraten und der Wärmeübertrag stiegen, wobei das Rohrbündel bei beiden höhere Werte aufwies. Diese ersten Experimente ergaben zufriedenstellende Ergebnisse, jedoch bergen Windkanal und das Messsystems noch Verbesserungspotential.<br />

For this thesis a bench-scale wind tunnel was designed and built. The wind tunnel provides the environment to investigate online the condensation at different heat exchangers with different refrigerants. Humid air approaches the heat exchanger (HEX) with a determined volume flow rate, temperature and humidity. The HEX is cooled below the dew point and condensate accumulates on its surface. Two balances measure the mass of the condensate accumulating at the HEX surface and of the condensate falling down. Therefore, the total condensate mass and together with the elapsed time the condensate rate is determined. The heat transfer to the HEX is also examined.<br />For the thesis two different HEX geometries were used to do experiments with water as cooling medium. The first one was a pipe bundle and second was a plain copper plate. Experiments with different volume flow rate and different temperatures of the inflowing cooling liquid were done for both HEXs. The evaluation and analysis of the mass and energy balance were done for every experiment. The method of Particle Image Velocimetry (PIV) was used to examine the flow profile and mean velocity in the wind tunnel.<br />There appeared to be an overall trend that the higher the volume flow rate of the humid air and the lower the water temperature, the higher were the condensate rates and heat transfer, whereat the pipe bundle showed higher values in both parameters. The first experiments gave promising results, but there is room for improvement for the whole system.