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

mT*, 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!