Das Wirbelrohr:Grundlagen und neue energietechnische Anwendungen

J. U. Keller u. W. M.Inst. Fluid- & Thermodynamik, Universität Siegen57068 Siegen, GermanyE-mail: keller@ift.maschinenbau.uni-siegen.de

Einführung

Grundlagen (TK, CFD)

Anwendungen

A) Gastechnik (Zyklon)

B) Energietechnik

Zusammenfassung

http://www.mb.uni-siegen.de/d/ifft3/index.htm

A - B

A

B

C

D

C - D

Einlass

KaltgasauslassWarmgas-Auslass

Vortex Tube of Ranque (1931) & Hilsch (1945).

Wirbelrohr nach Ranque und Hilsch

Anwendungen in Kühltechnik

1) KaltluftpistoleSchweiß- und LöttechnikGetränkekühlung (LH)Lacktechnik

Medizin

2) Kaltluftaggregate

PersonenkühlungBergbau, RettungsinselnKrankenkabinenKampfwagen, U-BooteWeltraumlabore

Experimental setup for expansion of compressed air in a vortextube by Ranque & Hilsch.

Massenbruch des Kaltluftstromes ( K K Wy m /(m m ) )

Tem

pera

turd

iffer

enze

n

Massenbruch des Kaltluftstromes ( K K Wy m /(m m ) )

Tem

pera

turd

iffer

enze

n

Adiabates Wirbelrohr

Expansion von Druckluft

Entropiemodell (THad)

Experimental setup for expansionof steam in a vortex tube byRanque & Hilsch.

IFT Dampfkesselanlage und Wasserdampfwirbelrohr

Expansion von Druckluft im WirbelrohrTemperaturen der Austrittsströme

-30

-20

-10

0

10

20

30

0 1 2 3 4 5 6

Eingangsdruck pE [bar]

Tem

pera

turd

iffer

enze

n [K

]

Warmgas th-tEKaltgas tc-tEVentilstellungen: C5/5 H2/5

Expansion von Druckluft im WirbelrohrTemperaturen der Austrittsströme

-7

-5

-3

-1

1

3

5

7

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Eingangsdruck pE [bar]

Tem

pera

turd

iffer

enze

n [K

]

Warmgas th-tEKaltgas tc-tEVentilstellungen: C5/5 H2/5

Expansion von Druckluft im WirbelrohrTemperaturen der Austrittsströme

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

0 1 2 3 4 5Eingangsdruck pE [bar]

Tem

pera

turd

iffer

enze

n [K

]

Warmgas th-tEKaltgas tc-tEVentilstellungen: C5/5 H4/5TE=296K , TLabor=298K

Wirbelrohr:Energietechnische Anwendungen

KältetechnikClaudé – ProzessThermodrossel Wärmepumpen/Dampfstrahlkälteprozess KältemaschinenAbsorptionsprozess

KraftwerkstechnikClausius – Rankine – ProzessWirbelrohrentspannung

VerfahrenstechnikSkarstrom – Prozess (Luftzerlegung)…

1 2 3 4

W Q

m T p

*, 0

4 0m T ,p

p0

p T

T*

T4

s

2

3

1

4 h4 = h3

Vortex tube for non –adiabatic expansion of gases an vapours (IFT / USI, 1995).

Kältemaschine / Wärmepumpe Thermodrosselanlage

0

40

C(300°C,40°C)

C(300°C,100°C)

C(300°C,140°C)

CR(300°C,40°C)CR(300°C,100°C)

tk=40°C

tk=100°C

tk=140°C

5

10

15

20

25

30

35

45

50

0 10 20 30 40 50 60

/ %

p* / bar

CR(300°C,140°C)

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.

N2

O2

O2O2

N2

N2

N2

O2

Engineering Adsorption Process

PSA: Pressure Swing Adsorption, 2 Bed System

Fixed bed adsorber

Adsorption (N2) Desorption (N2)

p

n

PSA

PSA

TSA

T1< T2

T1

TPSA

V

N 2

(1)

(2)

O 2

N 2

R

H

T

O 2 (T H)

O 2 (T C)

O 2

N 2

O 2

N 2

(3)

(4)

Air Separation ProcessSkarstrom Cycle, Vortex Tube Expansion PSA – VTE*)

1) Pressurization2) Adsorption3) Blowdown4) Purge with hot product gas

__________________*)Patent pending.

(1)

(2)

Restgas

(N 2)

O 2

N 2

O 2

N 2

(3)

(4)

R H T R H T

Produktgas (O 2 (T C))

Zuluft (N 2, O 2)

Ventil:

offen

geschlossen

Luftzerlegungsprozess

Skarstrom Prozess, Wirbelrohr

Wirbelrohrentspannung*)

__________________*)Patent angemeldet.

Wirbelrohr:Zusammenfassung

Entspannung von Gasen / Dämpfen im WirbelrohrGrundlagen?

Optimale Auslegung von Wirbelrohren?

HeuteNischenprodukte (Kaltluft)

ZukunftZahlreiche AnwendungenEnergie- und VerfahrenstechnikErhöhung Wirkungsgrade / Leistungszahlen

ProblemEntwicklungsarbeit!Investitionskosten!