Im Projekt wird eine Methode zur Optimierung der Energie- und Kosteneffizienz von Abgaswärmeübertragern entwickelt. Ziel der Optimierung ist es, den Wärmeübergang zu maximieren und die Herstellungskosten zu minimieren. Diese Ziele widersprechen einander, da Veränderungen der Geometrie, die eine Erhöhung des Wärmeübergangs zur Folge haben, in der Regel zu höheren Fertigungskosten führen. Als adäquates Beurteilungskriterium für solche Mehr-Kriterien-Probleme hat sich die Pareto-Optimalität bewährt. Die Optimierung des Wärmeübergangs führt neben der Energieeffizienz auch zur Kosten- und Rohstoffeffizienz. Ein höherer Wärmeübergang ermöglicht eine Reduzierung der wärmeübertragenden Fläche und bringt somit eine Material- und Kosteneinsparung mit sich. Dies kann durch die Verwendung von Strukturrohren erreicht werden. Es ist offensichtlich, dass energieeffiziente Wärmeübertrager in der Praxis nur dann in größerem Umfang Anwendung finden, wenn durch die Kosteneffizienz der betriebswirtschaftliche Anreiz geschaffen wird.

Strukturrohre sind Rohre, die eine auf der Innen- und/oder Außenseite verformte Oberfläche aufweisen. Dies sind z.B. innenberippte Rohre, Drall- oder Dellrohre. Die Verformungen verursachen Störungen der Strömung (Ablösungen, Turbulenzen), die den Wärmeübergang positiv beeinflussen.Im Rohr treten je nach Kombination der Strukturgeometrie, Strömungsgeschwindigkeiten und Stoffeigenschaften unterschiedlich zu charakterisierende Strömungsformen auf. Diese beeinflussen nicht nur den Wärmeübergang, sondern bringen auch einen Selbstreinigungseffekt der Strukturrohre mit sich und reduzieren somit das Foulingverhalten. Das Fluid kann die Rohrinnenseite spiralförmig entlang der Struktur umlaufen. Dies führt zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit. Weiterhin treten Strömungsablösungen und Rezirkulationen auf. Dadurch wird die thermische Grenzschicht, die den Wärmeübergang behindert, wiederholt gestört. Beides resultiert in einem höheren Wärmeübergang, erhöht aber gleichzeitig auch den Druckverlust.

Bei der Auslegung von Wärmeübertragern sind bestimmte Prozessbedingungen einzuhalten. Dies sind z. B. ein maximaler Druckverlust über das Rohrbündel oder ein vorgegebener Wärmestrom. Weiterhin sind fertigungstechnische Vorgaben einzuhalten, wie z. B. standardisierte Rohrspiegel oder Rohrlängen.

Diese Randbedingungen haben einen wesentlichen Einfluss auf den Entwurf des Wärmeübertragers und somit auf die Herstellungskosten.

Die Herstellungskosten eines Rohrbündelwärmeübertragers lassen sich in Fertigungs- und Materialkosten gliedern. Wärmeübertrager mit strukturierten Rohren führen in der Regel zu geringeren Materialkosten als vergleichbare Glattrohrwärmeübertrager. Aufgrund der höheren Widerstandsbeiwerte von Strukturrohren muss allerdings der Rohr- bzw. Bündeldurchmesser vergrößert werden, was zu höheren Fertigungskosten führt. Weiterhin fallen Kosten für die Strukturierung an. Es muss also ein optimaler Kompromiss zwischen Reduzierung von Materialkosten und Erhöhung der Arbeitszeitkosten bzw. Strukturierungskosten gefunden werden. Weiterhin sind die Materialkosten vom Legierungszuschlag abhängig, welcher monatlich neu festgelegt wird und deutlichen Schwankungen unterliegt. Der kostenoptimale Entwurf von Strukturrohrwärmeübertragern ist also nicht nur von den Prozess- und Fertigungsrandbedingungen abhängig, sondern auch vom Beschaffungszeitpunkt der Rohre.

Ein wesentlicher Bestandteil der durchzuführenden Arbeiten liegt in der experimentellen Bestimmung des thermohydraulischen Verhaltens von Strukturrohren. Die dazu notwendige Datenbasis wird mittels eines für diesen Zweck konzipierten Versuchsstandes ermittelt.

Weiterhin wird eine Methode zur Auslegung und Kalkulation von Abgaswärmeübertragern entwickelt, welche selbstständig den kostengünstigsten Entwurf, der alle Randbedingungen einhält, ermittelt. Des Weiteren sollen diese Erkenntnisse genutzt werden, um anhand der dimensionslosen Kenngrößen Nußeltzahl und Reibungsbeiwert  eine Eignung von bestimmten Strukturgeometrien für den kostenoptimalen Einsatz in Rohrbündelwärmeübertragern  abzuschätzen. Dies kann für künftige Weiterentwicklungen der Strukturgeometrien genutzt werden.

Durch den Einsatz von Strukturrohren in Rohrbündelwärmeübertragern kann im Vergleich zu einem kostenoptimalen Entwurf mit Glattrohren bis zu 11% der Herstellkosten eingespart werden. Das Volumen der Apparate kann etwa um 33% reduziert werden. Dies führt im Nachgang zu weiteren Einsparung bei der Wärmedämmung. Die kompakte Bauweise, die durch Strukturrohre möglich wird, macht Strukturrohrwärmeübertrager auch für Retrofit und Spezialanwendungen bei beengten Platzverhältnissen interessant.