Das Wirbelrohr - Universität Siegen
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Das Wirbelrohr - Universität Siegen
Das Wirbelrohr: Grundlagen und neue energietechnische Anwendungen J. U. Keller u. W. M. Inst. Fluid- & Thermodynamik, Universität Siegen 57068 Siegen, Germany E-mail: [email protected] Einführung Grundlagen (TK, CFD) Anwendungen A) Gastechnik (Zyklon) B) Energietechnik Zusammenfassung http://www.mb.uni-siegen.de/d/ifft3/index.htm Einlass A C A- B C- D Kaltgasauslass Warmgas-Auslass B D Vortex Tube of Ranque (1931) & Hilsch (1945). Wirbelrohr nach Ranque und Hilsch Anwendungen in Kühltechnik 1) Kaltluftpistole Schweiß- und Löttechnik Getränkekühlung (LH) Lacktechnik Medizin 2) Kaltluftaggregate Personenkühlung Bergbau, Rettungsinseln Krankenkabinen Kampfwagen, U-Boote Weltraumlabore Experimental setup for expansion of compressed air in a vortex tube by Ranque & Hilsch. Temperaturdifferenzen Massenbruch des Kaltluftstromes ( y m K /(m K m W ) ) Temperaturdifferenzen Massenbruch des Kaltluftstromes ( y m K /(m K m W ) ) Adiabates Wirbelrohr Expansion von Druckluft Entropiemodell (THad) Experimental setup for expansion of steam in a vortex tube by Ranque & Hilsch. IFT Dampfkesselanlage und Wasserdampfwirbelrohr Expansion von Druckluft im Wirbelrohr Temperaturen der Austrittsströme 30 Temperaturdifferenzen [K] 20 10 0 -10 Warmgas th-tE Kaltgas tc -tE Ventilstellungen: C5/5 H2/5 -20 -30 0 1 2 3 Eingangsdruck pE [bar] 4 5 6 Expansion von Druckluft im Wirbelrohr Temperaturen der Austrittsströme 7 Temperaturdifferenzen [K] 5 3 1 -1 Warmgas th-tE Kaltgas tc -tE Ventilstellungen: C5/5 H2/5 -3 -5 -7 0 0,5 1 1,5 Eingangsdruck pE [bar] 2 2,5 Expansion von Druckluft im Wirbelrohr Temperaturen der Austrittsströme 1 Temperaturdifferenzen [K] 0 -1 -2 -3 -4 -5 Warmgas t h-t E -6 Kaltgas t c -t E Ventilstellungen: C5/5 H4/5 TE=296K , TLabor=298K -7 -8 -9 0 1 2 3 Eingangsdruck pE [bar] 4 5 Wirbelrohr: Energietechnische Anwendungen Kältetechnik Claudé – Prozess Thermodrossel Dampfstrahlkälteprozess Absorptionsprozess Wärmepumpen/ Kältemaschinen Kraftwerkstechnik Clausius – Rankine – Prozess Wirbelrohrentspannung Verfahrenstechnik Skarstrom – Prozess (Luftzerlegung) … W 1 Q 2 4 3 mT*, p 0 m T4 , p0 T p 2 p0 T* 3 1 T4 4 h4 = h3 s Vortex tube for non – adiabatic expansion of gases an vapours (IFT / USI, 1995). Kältemaschine / Wärmepumpe Thermodrosselanlage /% 50 45 C(300°C,40°C) tk=40°C 40 C(300°C,100°C) 35 tk=100°C 30 C(300°C,140°C) 25 tk=140°C 20 CR(300°C,40°C) CR(300°C,100°C) CR(300°C,140°C) 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 p* / bar Wirbelrohr: Anwendung als Massenseparator (Zyklon) Isotopentrennung (U235, U238) Erdgastrocknung (Thyssengas, Filtan) Aerosolseparation Dieselabgasreinigung (VW) Gasentstaubung (Holzverarbeitung etc.) Wirbelrohr als Massenseparator (Zyklon) zur Erdgastrocknung. Wirbelrohranlage Erdgastrocknung, Thyssengas GmbH, 40.000 Nm3/h Wirbelrohranlage der Thyssengas GmbH. Engineering Adsorption Process PSA: Pressure Swing Adsorption, 2 Bed System Fixed bed adsorber O O 2 T1<T2 PSA 2 TSA TPSA 2 T1 N O 2 N 2 V O N n PSA 2 N 2 Adsorption (N2) Desorption (N2) 2 p Air Separation Process Skarstrom Cycle, Vortex Tube Expansion PSA – VTE*) O2 (TC) R (1) (2) O2 H O2 T N2 O2 (TH) N2 N2 (3) (4) N2 O2 1) Pressurization 2) Adsorption 3) Blowdown 4) Purge with hot product gas __________________ *)Patent pending. Luftzerlegungsprozess Skarstrom Prozess, Wirbelrohr Produktgas (O 2 (TC)) Wirbelrohrentspannung*) RHT (1) (2) RHT O2 N2 O2 Restgas (N2) N2 (3) (4) Ventil: offen geschlossen Zuluft __________________ *)Patent angemeldet. (N2, O2) Wirbelrohr: Zusammenfassung Entspannung von Gasen / Dämpfen im Wirbelrohr Grundlagen? Optimale Auslegung von Wirbelrohren? Heute Nischenprodukte (Kaltluft) Zukunft Zahlreiche Anwendungen Energie- und Verfahrenstechnik Erhöhung Wirkungsgrade / Leistungszahlen Problem Entwicklungsarbeit! Investitionskosten!