KONWIHR Projekt: PBOHEX

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PBOHEX: Pareto-basierte Optimierung von Flüssigkeits-Gas-Wärmetauschern

Projektzusammenfassung

Wärmetauscher sind in vielen industriellen Prozessen Schlüsselkomponenten. Auch in Geräten des täglichen Lebens sind Wärmetauscher häufig anzutreffen. Ihre Optimierung ist deswegen von großer Wichtigkeit. Allerdings stehen die hierbei anzutreffenden, vielfältigen Optimierungsziele häufig im Widerspruch und beeinflussen einander. Diese gegenseitige Beeinflussung führt zu einer Menge von Kompromisslösungen, die auch als Paretomenge bezeichnet wird.

Das vorliegende Projekt untersucht die Multi-Ziel-Optimierung von Flüssigkeits-Gas-Wärmetauschern mit Nadelrippen und Rippenrohren mittels der Pareto-Methode. Hierbei soll die Beschaffenheit von wärmeübergangsfördernder Elementen so bestimmt werden, dass der resultierende Wärmetauscher einen möglichst guten Wärmeübergang bei akzeptablem Druckverlust, geringen Fertigungskosten und geringem Platzbedarf aufweist.

Der gewählte Optimierungsansatz verwendet zur Untersuchung des Zielraums und zum Finden der Pareto-Grenze genetische Algorithmen (GA). Dabei werden die GA mit einer automatisierten CFD-Analyse gekoppelt, um die Zielfunktionen der Anfangspopulation und der Nachfolgepopulationen zu bestimmen.

Für das vorgeschlagene Projekt sind HPC-Werkzeuge, die in den Vorläuferprojekten FORTWIHR und KONWIHR entstanden sind, essentiell. Sie ermöglichen die Untersuchungen von konkreten, in der Industrie relevanten Problemstellungen, wo die Kopplung verschiedener physikalische Phänomene wie beispielsweise Strömung und Wärmeübertragung die entscheidende Rolle spielt. Die HPC-Werkzeuge führen weiterhin zu einer Beschleunigung der erforderlichen CFD-Berechnungen durch die parallele Behandlung mehrerer im Ablauf der GA ermittelten Nachfolger ("paralleles Parallelrechnen").

Die zu verwendenden komplexen Modelle führen trotz der effizienten HPC-Werkzeuge zu enorm hohen Rechenzeiten. Deswegen werden im vorgeschlagenen Projekt Approximationsmethoden entwickelt, um während des Optimierungsprozesses aus den Ergebnissen früherer CFD-Rechnungen Metamodelle zur schnellen Ermittlung der Zielfunktionen abzuleiten. Eine Validierung der Qualität der Metamodelle ist anhand der Konfigurationen der gefunden Pareto-Grenze mittels CFD unabdingbar.

Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Entwicklung eines automatischen Berechnungswerkzeuges, welches Wärmetauscher mit den oben skizzierten Methoden optimiert. Das Berechnungswerkzeug wird anhand verschiedener Wärmetauscheranwendungen getestet.

KONWIHR-Förderung

  • KONWIHR-Förderung von PBOHEX: 9/2008 - 8/2010

Kontakt:

  • Prof. Dr. Eberhard Franz, Fakultät Verfahrenstechnik, Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg
  • Prof. Dr. Michael Breuer, Lehrstuhl für Strömungsmechanik, Uni-Erlangen / Professur für Strömungsmechanik, Helmut-Schmidt-Universität Hamburg

Projektbearbeiter:

  • Abdellah Lemouedda, M.Sc., Fakultät Verfahrenstechnik, Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg

Ausgewählte Veröffentlichungen

  • A. Lemouedda, A. Schmid, E. Franz, M. Breuer, A. Delgado.: Numerical Investigations for the Optimization of Serrated Finned-Tube Heat Exchangers, J. of Applied Thermal Engineering, 31:(8-9) (2011) 1393-1401.
  • A. Lemouedda, E.Franz, M. Breuer, A. Delgado: Pareto-Based Optimization of Liquid-Gas Heat Exchangers, Forschungskolloquium 2010, Georg-Simon-Ohm-Hochschule, Nürnberg, (2010).
  • A. Lemouedda, M. Breuer, E. Franz, T. Botsch, A. Delgado: Optimization of the Angle of Attack of Delta-winglet Vortex Generators in a Plate-Fin-and-Tube Heat Exchanger, International Journal of Heat and Mass Transfer, 53 (2010) 5386-5399.
  • A. Lemouedda, M. Breuer, E.Franz: Pareto Optimization of Heat Transfer Enhancement of Finned Tube Heat Exchangers with Delta-Winglets, Proceedings of the 6th Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer, Rome, Italy; Turbulence, Heat and Mass Transfer 6 (plus CD with long papers) (Ed: K. Hanjalic, Y. Nagano and S. Jakirli), Begell House Inc., New York, Wallingford (UK), (2009), pp. 1015-1018.
  • A. Lemouedda, M. Breuer, E.Franz, T. Botsch, A. Delgado:: Numerical Investigations for the Optimization of Fin-and-Tube Heat Exchangers, proceedings of the STAR european Conference 2008, London, UK, (2008).
  • N. Sahiti, A. Lemouedda, D. Stojkovic, F. Durst, E. Franz: Performance comparison of pin fin in-duct flow arrays with various pin cross-sections, Applied Thermal Engineering, 26 (2006) 1176-1192.