Charakterisierung eines Mikrowärmeübertragers am Beispiel eines Luft-Wasser-Kühlers

Die Charakterisierung eines Wärmetauschers mit Mikrokanälen erfolgt nicht nur durch ein Experiment, durch das die Leistungsdaten wie z.B. der Wärmedurchgangskoeffizient ermittelt werden können sondern auch durch eine Simulation mittels eines Rechencodes (FLUENT). Das Ergebnis des Experiments sind in der Regel die gemessenen integralen physikalischen Größen am Eintritt und Austritt des Bauteils. Durch eine numerische Simulation ist man in der Lage die Physik innerhalb der Mikrokanäle mathematisch abzubilden und darzustellen, um so ein tieferes Verständnis der Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgänge zu erhalten.

Durch die unterschiedlichen Temperaturleitfähigkeiten wird unter identischen thermohydraulischen Randbedin-gungen ein Luftstrom in einem laminar durchströmten Mikrokanal schneller erwärmt als ein Flüssigkeitsstrom. Aus diesem Grunde können bei einem Luft-Wasser-Kühler die Mikrokanäle der Luftpassage kürzer sein als die der Wasserpassage. Der Luft-Wasser-Kühler, der in Abbildung 1 zu sehen ist, wurde auf der Basis dieser Überlegungen konzipiert und ausgelegt. Das Bauteil, das auf dem „Kreuzstromprinzip“ basiert, ist aus mehreren einzelnen Metallfolien gefertigt worden.

Abbildung 1: Luft-Wasser-Kühler

Abbildung 2: REM-Aufnahme einer mit dem Nassätzverfahren strukturierten Folie

In Abbildung 2 ist ein Ausschnitt einer solchen Folie, die mit Hilfe des „chemischen Nassätzen“ strukturiert wurde, zu sehen. Die kreisrunden Öffnungen mit einem Durchmesser von 0.35 mm bilden die Mikrokanäle der Luftpassage. Zwischen diesen Öffnungen verlaufen die Mikrokanäle der Wasserpassage. Durch das Strukturierungsverfahren besitzt der Strömungsquerschnitt diese Mikrokanäle die Form einer Halbellipse. Stapelt man mehrere solcher Folien in y-Richtung aufeinander und verschweiß sie miteinander (Diffussionsschweisverfahren), so erhält man einen Luft-Wasser-Kühler, wie er in Abbildung 1 zu sehen ist.

Für die 3D-Simulation der Strömungs- und Wärmeübertragungsvorgänge mit FLUENT innerhalb der Mikrokanäle wurde ein Folienpaar modelliert, das in Abbildung 3 dargestellt ist. Durch die obere Folie strömt die Luft und durch die untere das Wasser. Der Wärmetransport durch Wärmeleitung zwischen den Folien erfolgt über eine „INTERFACE“ Randbedingung, die der Rechencode FLUENT zur Verfügung stellt. Da Symmetriebedingungen ausgenutzt wurden, sind im mathematischen Modell die Kanäle der Luftpassage halbkreisförmig abgebildet. Die Mikrokanäle auf der Wasserpassage besitzen dagegen die Form einer "Viertel-Ellipse".

Abbildung 4 zeigt beispielhaft ein Ergebnis der Simulationsrechnungen. Dargestellt ist die Temperaturverteilung auf der "Center-Ebene" der Mikrokanäle der Luftpassage. Man erkennt, dass für diesen gerechneten Betriebspunkt die Temperaturverteilung gleichförmig ist. D.h. die Erwärmung des Luftstroms ist für jeden Mikrokanal nahe zu identisch. Die Übereinstimmung zwischen den gemessenen und berechneten Austrittstemperaturen in Abbildung 4 ist hinreichend gut.

Abbildung 3: FLUENT-Modell bestehend aus einem Folienpaar; Luftpassage oben, Wasserpassage unten

Abbildung 4: Temperaturverteilung in den Kanälen der Luftpassage für Re = 770 und Ma = 0,1