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Optimierung von Wärmetauscherdesigns für die Kühl- und Kältetechnik

Die Kühlung einer Skihalle, die Klimatisierung eines repräsentativen alten Schlosses oder das Kühlen und Gefrieren von Konsumgütern – all diese Szenarien erfordern Wärmetauschertechnologie. Die thermofin GmbH stellt sicher, dass ihre Wärmetauschergeräte mittels Multiphysik-Simulation für die unterschiedlichen Kundenanforderungen optimiert werden.

Von Rachel Keatley
März 2021

Allein in den Vereinigten Staaten wurden 2018 schätzungsweise 93,4 Millionen Tonnen an Lebensmitteln weggeworfen – was einer Masse von 600.000 durchschnittlich großen Blauwalen entspricht [1]. 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 [2]. 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 Heik an der Arbeit mit Simulationen besonders gefällt? Man kann Erkenntnisse gewinnen, bevor man Messungen durchführt.

Designing Optimized Heat Exchangers

Since its founding in 2002, thermofin GmbH has expanded from 6 employees to more than 800, with production sites on several continents. Their dependable heat exchangers have made them a popular choice in the refrigeration and air conditioning industry.

Heat exchangers sound like a simple concept, but they can actually be quite challenging to design. The essential task in cooling a product is to get rid of unwanted heat so that thermal energy from perishable goods is extracted. This is where the refrigerant of a refrigeration cycle comes into play. By changing the refrigerant phase from a liquid to a vapor state, the heat exchanger is removing heat from its ambient surroundings. This heat then has to be passed over to a second heat exchanger, which emits this energy to the outside environment.

In transcritical CO₂ refrigeration cycles, a so-called gas cooler chills the refrigerant inside a heat exchanger. Often, people get confused by the name "gas cooler", as if it uses gas to chill its surroundings. Designing heat exchangers in general, and gas coolers in particular, presents a fair amount of difficulties, according to Heik. When striving for better, more energy-conserving refrigeration cycles, well-engineered heat exchanger designs serve as a main contribution.

Like many cooling systems, gas coolers are designed to have a minimal direct impact on the environment, so they use the natural refrigerant CO₂. For example, in the supermarket sector, CO₂ is now used almost exclusively because it is classified as a nonhazardous gas (safety group A1). Due to its properties, however, it must dissipate its heat at air temperatures above 20–25°C, in the so-called transcritical range. That is why these systems have a large temperature difference, consist of many different circuits, and are made up of a wide range of materials. Using simulation, Heik is able to efficiently and simultaneously analyze the airflow and material properties of these devices.

Designing the inner finned tubes presents another unique challenge when developing heat exchangers. These tubes are used in heat exchangers to transform a hot fluid into a cold fluid or vice versa. The arrangement, diameter, material (stainless steel is required if using ammonia), and fin spacing of these finned tubes all depend on the type of heat exchanger in which they are being used. "There is not a lot of measured data available on how these tubes work," said Heik. With simulation, he can get a better understanding of how finned tubes affect a heat exchanger design by modeling multiple tube geometries and investigating their inner and outer heat transfer capabilities. The finned tube geometries that offer the best performance are built and tested at an in-house experimental station. "We look to see if the calculations and results are the same or similar, and then we take the best tube for our industrial line," said Heik.

Kühlraumsimulationen

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 umfasst, die das Fleisch halten. In diesem Lagerraum kommt das Fleisch bei Raumtemperatur an und muss abgekühlt werden, bevor es in einen anderen Kühlraum gebracht werden kann. „Es war wichtig, dass die Luftgeschwindigkeit in dem Raum nicht zu hoch ist, damit das Fleisch nicht von den Robotern herunterfällt, und andererseits war es sehr wichtig, dass jeder Bereich in dem Raum die gleiche oder eine ähnliche Luftmenge erhält“, sagt Heik.

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 glaubte die thermofin GmbH, 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 ein Problem. „Der Rückfluss der Luft würde teilweise in die Zwischendecke umgeleitet“, sagte Heik. Um dieses Problem zu beheben, simulierte Heik einige luftleitende Adern im Raum, die für einen reibungslosen Rückfluss sorgen würden, was letztendlich die Anzahl der Wirbel im Raum reduzieren würde. Auf Anraten der thermofin GmbH setzte der Kunde schließlich fünf thermofin®-Geräte ein und baute seinen Lagerraum mit luftleitenden Adern. Laut Heik ist der Kunde mit den Ergebnissen zufrieden und hat keine Vorfälle von herunterfallendem Fleisch erlebt.

Die Zukunft der Wärmetauschertechnologie

Da die thermofin GmbH weiterhin weltweit expandiert, werden auch ihre Pläne für innovative Simulationsarbeiten immer größer. „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 größer werden. Um diese Änderung erfolgreich umzusetzen, muss die thermofin GmbH zunächst den optimalen Weg finden, diese Rohre zu verteilen. „Für eine neue Lamellengeometrie müssten wir sie erst simulieren, bevor wir die Werkzeuge kaufen, um sie selbst herzustellen“, so Heik. Eine solche Änderung könnte dazu beitragen, den Wärmetransport in ihren Wärmetauschern zu verbessern.