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

Publikation: KonferenzbeitragPaperForschungPeer-Review

Autoren

  • Robin Kahlfeld
  • Ina Meyer
  • Jasper Lachmayer
  • Cameron Owen Messmann
  • Niklas Thies
  • Tobias Ehlers
  • Stephan Kabelac
  • Roland Johann Lachmayer
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Details

OriginalspracheDeutsch
Seitenumfang12
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2023
VeranstaltungDKV-Tagung 2023 - Hannover, Deutschland
Dauer: 22 Nov. 202324 Nov. 2023
https://www.dkv.org/

Konferenz

KonferenzDKV-Tagung 2023
Land/GebietDeutschland
OrtHannover
Zeitraum22 Nov. 202324 Nov. 2023
Internetadresse

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 Leistungs-dichte sind dabei sogenannte 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 50 % bzw. 57 % niedrigere mittlere Druckverluste, wobei die Wärmeströme jedoch im Mittel nur um 23 % bzw. 18 % abnehmen. Dies zeigt, dass über Parametervariationen eine deutliche Effizienzsteigerung möglich ist. Der Rohrbündelwärmeübertrager weist eine durchgehend niedrigere volumetrische Leistungsdichte auf, wobei die auftretenden Druckverluste jedoch ebenfalls geringer ausfallen.

Schlagwörter

    Wärmeübertrager, Lattice Structures, Additive Fertigung, PBF-LB/M

Zitieren

Strukturen in additiv gefertigten Wärmeübertragern: Parameterbasierte Generierung und messtechnische Charakterisierung innerer Gitterstrukturen zur Verbesserung des Wärmeübergangs. / Kahlfeld, Robin; Meyer, Ina; Lachmayer, Jasper et al.
2023. Beitrag in DKV-Tagung 2023, Hannover, Niedersachsen, Deutschland.

Publikation: KonferenzbeitragPaperForschungPeer-Review

Kahlfeld, R, Meyer, I, Lachmayer, J, Messmann, CO, Thies, N, Ehlers, T, Kabelac, S & Lachmayer, RJ 2023, 'Strukturen in additiv gefertigten Wärmeübertragern: Parameterbasierte Generierung und messtechnische Charakterisierung innerer Gitterstrukturen zur Verbesserung des Wärmeübergangs', Beitrag in DKV-Tagung 2023, Hannover, Deutschland, 22 Nov. 2023 - 24 Nov. 2023. https://doi.org/10.15488/16806
Kahlfeld, R., Meyer, I., Lachmayer, J., Messmann, C. O., Thies, N., Ehlers, T., Kabelac, S., & Lachmayer, R. J. (2023). Strukturen in additiv gefertigten Wärmeübertragern: Parameterbasierte Generierung und messtechnische Charakterisierung innerer Gitterstrukturen zur Verbesserung des Wärmeübergangs. Beitrag in DKV-Tagung 2023, Hannover, Niedersachsen, Deutschland. https://doi.org/10.15488/16806
Kahlfeld R, Meyer I, Lachmayer J, Messmann CO, Thies N, Ehlers T et al.. Strukturen in additiv gefertigten Wärmeübertragern: Parameterbasierte Generierung und messtechnische Charakterisierung innerer Gitterstrukturen zur Verbesserung des Wärmeübergangs. 2023. Beitrag in DKV-Tagung 2023, Hannover, Niedersachsen, Deutschland. doi: 10.15488/16806
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TY - CONF

T1 - Strukturen in additiv gefertigten Wärmeübertragern

T2 - DKV-Tagung 2023

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PY - 2023

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N2 - 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 Leistungs-dichte sind dabei sogenannte 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 50 % bzw. 57 % niedrigere mittlere Druckverluste, wobei die Wärmeströme jedoch im Mittel nur um 23 % bzw. 18 % abnehmen. Dies zeigt, dass über Parametervariationen eine deutliche Effizienzsteigerung möglich ist. Der Rohrbündelwärmeübertrager weist eine durchgehend niedrigere volumetrische Leistungsdichte auf, wobei die auftretenden Druckverluste jedoch ebenfalls geringer ausfallen.

AB - 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 Leistungs-dichte sind dabei sogenannte 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 50 % bzw. 57 % niedrigere mittlere Druckverluste, wobei die Wärmeströme jedoch im Mittel nur um 23 % bzw. 18 % abnehmen. Dies zeigt, dass über Parametervariationen eine deutliche Effizienzsteigerung möglich ist. Der Rohrbündelwärmeübertrager weist eine durchgehend niedrigere volumetrische Leistungsdichte auf, wobei die auftretenden Druckverluste jedoch ebenfalls geringer ausfallen.

KW - Wärmeübertrager

KW - Lattice Structures

KW - Additive Fertigung

KW - PBF-LB/M

U2 - 10.15488/16806

DO - 10.15488/16806

M3 - Paper

Y2 - 22 November 2023 through 24 November 2023

ER -

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