Strukturen in additiv gefertigten Wärmeübertragern — Parameterbasierte Generierung und messtechnische Charakterisierung innerer Gitterstrukturen zur Verbesserung des Wärmeübergangs

Abstract

Das pulverbettbasierte Schmelzen von Metallen mittels Laserstrahl (PBF-LB/M) ermöglicht als additives Fertigungsverfahren neuartige, hocheffiziente Wärmeübertrager mit komplexen inneren Strukturen. Ein Ansatz zur Steigerung der volumetrischen thermischen Leistungsdichte sind dabei Lattice Structures, Gitterstrukturen aus periodischen Einheitszellen. Zur thermofluiddynamischen Optimierung kann eine Vielzahl von Parametern angepasst werden. Dies erfordert eine grundlegende Untersuchung der Auswirkung der Parametervariationen. Die Generierung solcher Strukturen erfolgt über eine skriptbasierte Konstruktionsumgebung. Im folgenden Beitrag werden drei unterschiedlich ausgerichtete Diamond-Lattice-Structures generiert und messtechnisch charakterisiert. Der Algorithmus zur Generierung wird beschrieben. Die Strukturen unterscheiden sich bezüglich Anordnung und Ausrichtung. Sie sind auf der Gas-Seite eines kompakten, mittels PBF-LB/M gefertigten, Gaskühlers verortet. Wärmeübergang und Druckverlust werden für Leerrohr-Eintritts-Reynolds-Zahlen von 700 bis 9000 vermessen und untereinander sowie mit einem konventionellen, geometrisch ähnlichen Referenz-Rohrbündel verglichen. Die effizienteste Struktur hat gegenüber den beiden anderen um 54 % bzw. 59 % niedrigere mittlere Druckverluste, wobei die Wärmeströme jedoch im Mittel nur um 23 % bzw. 18 % abnehmen. Dies zeigt, dass über Parametervariationen eine deutliche Effizienzsteigerung, also Steigerung des übertragenen Wärmestroms bezogen auf den einhergehenden Druckverlust, möglich ist. Der Rohrbündelwärmeübertrager weist eine durchgehend niedrigere volumetrische Leistungsdichte auf, wobei die auftretenden Druckverluste jedoch ebenfalls geringer ausfallen.