Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen ProcessNet Jahrestreffen der Fachgruppen MPH-WSUE Fulda, 25.03.2014 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
Dampfstrahlprozess Anwendungen: Brüdenverdichtung Eindampfung Prozesskühlung Speziell: Dampfstrahlkälteanlage zur Gebäudeklimatisierung F. Kübel-Heising 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 2
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 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 3
Einführung Dampfstrahlverdichter Treibdüse Saugdüse Einlaufkonus Zyl. Mischrohr Diffusor Aufbau und Funktion eines Dampfstrahlverdichters 1 1,3 2,0 bar 2 3 10 20 mbar 4 60 80 mbar 5 Expansion Mischung Kompression Mischraum: Einlaufkonus Zyl. Mischrohr Treibstrom Druck Geschwindigkeit Dampfstrahlverdichter der Körting AG Saugstrom Mischstrom 1 2 3 4 5 Druckangaben als Absolutdrücke Quelle: Jungnickel, H. et al.; Grundlagen der Kältetechnik, Verlag C.F. Müller, Karlsruhe, 1981 (verändert) F. Kübel-Heising 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 4
Einführung Gedankenspiel: Impulsübertragung v 1 >> v 2 Strömungsrichtung v 1 v 2 =0 m/s Geringer Impulsübertrag Strömungsrichtung Hoher Impulsübertrag F. Kübel-Heising 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 5
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 2,21 2210,45 307,36 479,95 172,20 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 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 6
Versuchsanlage Dampfstrahlkälteanlage Treibdampferzeuger Dampfstrahlverdichter Kaltverdampfer Mischkondensator inkl. Phasenscheider F. Kübel-Heising 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 7
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 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 8
Versuchsanlage Messwerte Wasser/Wasser F. Kübel-Heising 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 9
Messergebnisse Wasser/Wasser F. Kübel-Heising 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 10
Messergebnisse Wasser/Wasser; n-octan/wasser F. Kübel-Heising 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 11
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 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 12
Theoretische COP-Steigerung durch Wärmerückgewinnung Messergebnisse Wasser/Wasser; n-octan/wasser F. Kübel-Heising 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 13
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 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 14
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 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 15
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 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 16
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 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 17
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 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 18
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Felix Kübel-Heising, M.Sc. Hochschule Mannheim Institut für Prozessmesstechnik und innovative Energiesysteme (PI) Tel.: 0621 / 761 508 32 email: f.kuebel-heising@hs-mannheim.de www.pi.hs-mannheim.de Förderkennzeichen: 0377480A F. Kübel-Heising 25.03.2014 Die Wirkung langkettiger Kohlenwasserstoffe als Treibmittel in Dampfstrahlprozessen Folie 19