Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen

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1 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen ProcessNet Jahrestreffen der Fachgruppen MPH-WSUE Fulda, Felix Kübel-Heising, M.Sc. (HS Mannheim, PI) Timon Schumacher, M.Sc. (HS Mannheim, PI) Matthias Rädle, Prof. Dr. rer. nat. (HS Mannheim, PI) Jens-Uwe Repke, Prof. Dr.-Ing. (TU Bergakademie Freiberg, ITUN) Hochschule Mannheim University of Applied Sciences Technische Universität Bergakademie Freiberg

2 Dampfstrahlprozess Anwendungen: Brüdenverdichtung Eindampfung Prozesskühlung Speziell: Dampfstrahlkälteanlage zur Gebäudeklimatisierung F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 2

3 Einführung Dampfstrahlprozess Leistungsvergleich von Dampfstrahlkälteanlagen anhand des COP COP coefficient of performance = Kühlleistung Antriebsleistung(thermisch) Ziel: COP-Steigerung durch den Einsatz langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel Verständnis der Vorgänge im Dampfstrahlverdichter F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 3

4 Einführung Dampfstrahlverdichter Treibdüse Saugdüse Einlaufkonus Zyl. Mischrohr Diffusor Aufbau und Funktion eines Dampfstrahlverdichters 1 1,3 2,0 bar mbar mbar 5 Expansion Mischung Kompression Mischraum: Einlaufkonus Zyl. Mischrohr Treibstrom Druck Geschwindigkeit Dampfstrahlverdichter der Körting AG Saugstrom Mischstrom Druckangaben als Absolutdrücke Quelle: Jungnickel, H. et al.; Grundlagen der Kältetechnik, Verlag C.F. Müller, Karlsruhe, 1981 (verändert) F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 4

5 Einführung Gedankenspiel: Impulsübertragung v 1 >> v 2 Strömungsrichtung v 1 v 2 =0 m/s Geringer Impulsübertrag Strömungsrichtung Hoher Impulsübertrag F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 5

6 Versuchsanlage Dampfstrahlkälteanlage Auswahl der Betriebsmedien: Wasser n-octan Molmasse [g/mol] 18,02 114,23 Spezif. Wärmekapazität [kj/kgk] bei 20 C, flüssig Spezif. Verdampfungsenthalpie [kj/kg] bei 120 C Schallgeschwindigkeit * [m/s] bei 120 C Dichte * [kg/m³] bei 120 C Dampfdruck (absolut) [mbar] bei 36 C *) Betrachtung als ideales Gas 4,20 2, ,45 307,36 479,95 172,20 1,12 3,01 59,6 33,76 Quelle der Stoffwerte: Gesellschaft, Vdi; Chemieingenieurwesen, VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik Und: VDI-Wärmeatlas. Berlin: Springer DE, 2006 (Kap. Dca1-Dca46) F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 6

7 Versuchsanlage Dampfstrahlkälteanlage Treibdampferzeuger Dampfstrahlverdichter Kaltverdampfer Mischkondensator inkl. Phasenscheider F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 7

8 Versuchsanlage Dampfstrahlkälteanlage Geschlossenes System, Kreislaufbetrieb Kühlleistung: ca. 3kW Anlagenschema: Treibdampf(n-Octan): 53,55 kg/h 1,67 bar; 146,9 C Dampfstrahlverdichter Mischdampf: 57,41 kg/h 0,07 bar; 40 C Treibdampferzeuger Saugdampf (Wasser): 3,86 kg/h 0,013 bar; 11,0 C Kaltverdampfer Mischkondensator Inerte Phasenscheider Druckangaben als Absolutdrücke F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 8

9 Versuchsanlage Messwerte Wasser/Wasser F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 9

10 Messergebnisse Wasser/Wasser F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 10

11 Messergebnisse Wasser/Wasser; n-octan/wasser F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 11

12 Optimierungspotenzial Wärmerückgewinnung aus Dampfstrahlverdichter n-octan/wasser 57,4 kg/h; 119,7 C Wärmeüberträger 50,0 C Q = 2, 0 kw Kondensator in Treibdampferzeuger n-octan 53,6 kg/h; 96,9 C in Kaltverdampfer Wasser 45,0 C Wärmeüberträger Ohne Wärmerückgewinnung Mit Wärmerückgewinnung Heizleistung [kw] 8,46 6,47 Sensibler Anteil [kw] 4,17 2,18 Latenter Anteil [kw] 4,29 4,29 Kühlleistung [kw] 2,65 2,65 COP 0,31 0,41 F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 12

13 Theoretische COP-Steigerung durch Wärmerückgewinnung Messergebnisse Wasser/Wasser; n-octan/wasser F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 13

14 Diffusionsmodell Vorgänge im Mischraums des Dampfstrahlverdichters Expansion und dadurch Saugwirkung in Folge der Beschleunigung des Treibmittels Diffusion des Saugdampfes in den Treibdampf Abtransport des Saugdampfes durch Impulsübertragung Wasser/Wasser n-octan/wasser Saugdampf w saug = 20, 6 m s Saugdampf w saug = 16, 3 m s θ treib = 125, 2 C p treib = 2, 10 bar Ma = 2, 10 θ treib = 146, 9 C p treib = 1, 67 bar Ma = 2, 14 w Schall = 492, 70 m s Treibdampfstrahl w Schall = 179, 0 m s Treibdampfstrahl θ saug = 9, 6 C p saug = 11, 9 mbar Angabe der Drücke als Absolutdrücke θ saug = 11, 0 C p saug = 12, 9 mbar F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 14

15 Diffusionsmodell Berechnungsansatz Berechnung des eindiffundierten Saugstroms mit Gleichung 1 I 2 = n 2 u 2 A s,2 x diff,2 d mit x diff,2 = D 12 t Abschätzung der Diffusionskoeffizienten D 12 für Wasser in Wasser und für Wasser in n-octan nach Fuller, Schettler und Giddings 2 : D 12 = 67,09 cm2 s D 12 = 17,21 cm2 s für Wasser in Wasser für Wasser in n-octan Quelle: /1/ Jousten, K.; Wutz Handbuch Vakuumtechnik Theorie und Praxis, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2006 /2/ Giddings, J. C. et al; A new method for prediction of binary gas-phase diffusion coefficient, Industrial And Engineering Chemistry, Vol. 58 No. 5, 1966 F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 15

16 n-octan/wasser Radius [m] Konzentration [mol/m³] Wasser/Wasser Radius [m] Konzentration [mol/m³] Diffusionsmodell Konzentrationsverläufe 0,02 bei z=1,0*l 0,2 bei z=0,1*l bei z=0,5*l z=0 Austritt Treibdüse bei z=0,1*l bei z=0,5*l 0 0,02 z=l bei z=1,0*l 0,0 z 0,2 Eintritt Mischdüse 0 0,0 F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 16

17 Diffusionsmodell Impulsstrom Wasser/Wasser Treib-/Saugstrom [kg/h]: 12,14 / 4,52 Impulsstrom Treibdampf vor Vermischung [N] Impulsstrom Treibdampf vor Vermischung [N] Impulsstrom Treibdampf nach Vermischung [N] 3,47 2,55 26,6 Gemischdampftemperatur: 61,9 C n-octan/wasser Treib-/Saugstrom [kg/h]: 53,55 / 3,86 Impulsstrom Treibdampf nach Vermischung [N] 5,70 5,33 6,4 Gemischdampftemperatur: 119,7 C Impulsübertrag auf Saugmedium [%] Impulsübertrag auf Saugmedium [%] F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 17

18 Schlussfolgerung Möglichkeit der COP-Steigerung mit n-octan als Treibmittel durch Wärmerückgewinnung Impulsstromvergleich zeigt deutliches Potenzial von n-octan als Treibmittel Schlechtes Diffusionsverhalten von Wasser in n-octan führt zu geringerer Ausnutzung des erzeugten Impulsstroms Abhilfe: Vergrößerung der Fläche zwischen Treib- und Saugstrom F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 18

19 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Felix Kübel-Heising, M.Sc. Hochschule Mannheim Institut für Prozessmesstechnik und innovative Energiesysteme (PI) Tel.: 0621 / f.kuebel-heising@hs-mannheim.de Förderkennzeichen: A F. Kübel-Heising Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 19

Sommeraspekt (Lenne 3D für die Hochschule Anhalt (FH)) Matthias Pietsch, Dipl.Ing. M.Sc. m.pietsch@loel.hs-anhalt.de +49 (0) 3471 355-1140 René Krug, Dipl.Ing. M.A. r.krug@loel.hs-anhalt.de

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