Investigation of the internal flow behavior in active chilled beams

• Untersuchung des internen Strömungsverhaltens von Induktionsgeräten

Freitag, Henning; Müller, Dirk (Thesis advisor); Melikov, Arsen Krikor (Thesis advisor)

1. Auflage. - Aachen : E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2020)
Buch, Doktorarbeit

In: EBC, Energy efficient buildings and indoor climate 80
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (xii, 135 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Deckeninduktionsdurchlässe (ACB) sind Endgeräte eines entsprechenden Systems, welches sowohl der Belüftung als auch der Luftkühlung oder -heizung in Innenräumen dient. Im Gegensatz zu klassischen Nur-Luft-Systemen wird die Wärme im Wesentlichen durch das im System zirkulierende Wasser transportiert. Daraus ergeben sich erhebliche Vorteile hinsichtlich der volumenspezifischen Wärmeleistung sowie des Energiebedarfs für den Lufttransport innerhalb des Systems. ACBs können daher in Anwendungen mit hohen thermischen Lasten und angemessenen Luftwechselraten eine gute Energieeffizienz und Kompaktheit bieten. Vor dem Hintergrund des aktuellen Trends eines weltweit steigenden Primärenergiebedarfs für die Innenraumklimatisierung muss es ein dauerhaftes Bestreben geben, Komponenten und Systeme hinsichtlich ihrer Energieeffizienz und ihres Energiebedarfs im Lebenszyklus zu verbessern. Bis heute basiert die Entwicklung von ACBs überwiegend auf der einfachen empirischen Erprobung von Prototypen in Originalgröße und den Erfahrungen des Herstellers. Eine umfassende Betrachtung der internen Strömung und der damit verbundenen physikalischen Prozesse in ACBs, welche einen zielgerichteteren Entwicklungsprozess ermöglichen könnte, fehlt in der wissenschaftlichen Literatur und soll daher in dieser Arbeit behandelt werden. Diese Dissertation analysiert die interne, luftseitige Strömung eines ACB und die damit zusammenhängenden Auswirkungen auf das Induktionsverhalten, die Wärmeübertragung und das akustische Verhalten. Sowohl mittels eines experimentellen als auch eines numerischen Ansatzes unter Verwendung moderner Werkzeuge der numerischen Strömungssimulation (CFD) werden verschiedene Geometrien untersucht, um ein besseres Verständnis der internen Strömungsvorgänge zu erhalten. Die verwendeten Geometrien unterscheiden sich dabei hinsichtlich ihres geometrischen Abstraktionsgrads sowie in ihrer funktionalen Komplexität. Im Experiment wurden globale Induktionsverhältnisse gemessen, in denen der Sekundärluft-Massenstrom in Bezug auf Sollwerte des statischen Drucks geregelt wurde. Quantifizierbare Geschwindigkeitsinformationen für einen allgemeinen, isothermen Fall wurden mit Hilfe der zweidimensionalen Zweikomponenten-Particle Image Velocimetry (2D2C PIV) gewonnen, die auch die Identifizierung charakteristischer Strömungsmuster ermöglichte. Für den achsensymmetrischen, turbulenten Strahl wurden zeitgemittelte Geschwindigkeitsdaten mittels Zweikomponenten-Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) ermittelt. Weitere experimentelle Untersuchungen wurden in Hinblick auf Strömungsgeräusche und die Charakteristik des Wärmeübertragers durchgeführt. Die Ergebnisse aus Messungen unter Einsatz der verschiedenen Methoden erwiesen sich als konsistent und zeigten Ähnlichkeiten zwischen den Strömungsmustern verschiedener ACB-Geometrien. Für den statischen Druck der Primärluft, die Düsenhöhe, den Strömungsquerschnitt der Sekundärluftöffnung, den Strömungswiderstand des Wärmeübertragers und den Diffusorwinkel der Mischstrecke wurden Korrelationen zum Induktionsverhältnis gefunden. Mittels einer kommerziellen CFD-Software wurden dreidimensionale Simulationsdaten unter Verwendung verschiedener Reynolds-gemittelter Navier-Stokes-Turbulenzmodelle erzeugt und mit den Messdaten verglichen. Die Vergleichsstudie ergab, dass die k-omega-basierten Turbulenzmodelle bei der Vorhersage globaler Strömungsgrößen am vielversprechendsten sind. Für die Ergebnisse der Large Eddy Simulationen (LES) konnte eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten lokaler und globaler Strömungsgrößen festgestellt werden.

Einrichtungen

• E.ON Energy Research Center [080052]
• Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik [419510]