Wärmeübertrager: Charakteristik, mittlere Temperaturdifferenz und Modellierung

1. Wärmeübertrager:Charakteristik,mittlere Temperaturdifferenzund Modellierung Dr. Thomas Nietsch www.ThomasNietsch.info 10. Nov. 2010

2. Mein Werdegang • 1961 geboren in Berlin • 1989 Dipl.-Ing. Energie- und Verfahrenstechnik, TU- Berlin, Studentische Hilfskraft Mathematik und Bilanzgleichungen • 1994 Dr.-Ing. Verfahrenstechnik, TU-Berlin, Wasserstoffspeicherung, Lehre: Reaktionstechnik, Thermodynamik der Energiewandlung, Luftreinhaltung • 1995 Post Doc, Institut Français du Pètrole, Abgasreinigung • 1996 CNRS, Frankreich, Kunststoffproduktion in Extrudern • 2001 Rolls-Royce, Hochtemperaturbrennstoffzelle und erneuerbare Energien und Gasturbine • heute Helion/Areva PEM Brennstoffzelle und Elektrolyse

3. AREVA Group Overview

4. Arevas erneuerbare Energien WIND POWER Wind off-shore leading technology with strong position in targeted geographies Specialized EPC company for biomass fired power plants Ownership of range of critical technologies (combustion, gasification, etc.) BIOENERGIES Specialized EPC for solar thermal power plants Research and development of solar technologies SOLAR Fuel cell design and production Hydrogen production Development of next generation storage solutions HYDROGEN AND ENERGY STORAGE

5. Profile Supplier of CO2-free solutionsfor hydrogen production by electrolysis, power by fuel cells energy storage‏ • Capital : 3 884 240 € • Beginning of the activity : march2001 • Headcount: > 50 people • 75% of engineers • Location : Aix-en-Provence, France (Environment dedicated high-tech facilities complex)‏ • ISO9001 and ISO14001 certifications

6. Wasserstoffwertschöpfung Renewable Renewable Energies Energies Clients Clients H H distribution distribution 2 2 Clients Clients O O distribution distribution Conversion Conversion Biomass Biomass 2 2 O O 2 2 Electrolysis Electrolysis H H storage storage Fuel cell Fuel cell Windmills Windmills 2 2 Electrical Grid Electrical Grid

7. Klassifikation von Warmeübertragern

8. Einteilung von Wärmeübertragern • Indirekte Wärmeübertrager • Direkte Wärmeübertrager • Regeneratoren

9. Indirekte Wärmeübertrager

10. Direkte Wärmeübertrager Mit und ohne Phasenwandel

11. Regeneratoren

12. Wärmeübertrager

13. Gleichstrom Gleichstrom führt die Stoffe so, dass sie Nebeneinander in gleicher Richtung strömen. Idealerweise werden beide Stofftemperaturen angeglichen und liegen immer zwischen den Ausgangstemperaturen.

14. (Hot inlet) (Hot outlet) (Cold Outlet) (Cold inlet) Steady-State Co-Current Heat Exchanger Profiles

15. Gleichstrom – Vorteile und Nachteile • Durch die große Temperaturdifferenz am Eingang des Wärmetauschers kann in besonders kurzer Zeit eine sehr große Wärmemenge übertragen werden. Dies kann zum Beispiel bei (temperaturabhängigen) Gleichgewichtsreaktionen ausgenutzt werden, um eine Einstellung des ungünstigeren Gleichgewichtes bei niedrigerer Temperatur zu verhindern.

16. Gegenstrom Gegenstrom: die Mittelwerte für die Temperaturdifferenzen liegen bei ausreichender Länge beim Gegenstroms höher.

17. (Hot inlet) Source: Alfalaval (Cold Outlet) (Hot outlet) (Cold inlet) (Length of heat exchanger) Steady-State Counter-Current Heat Exchanger Profiles

18. Gegenstrom – Vorteile und Nachteile • Die Triebkraft der Wärmeübertragung ΔT beim Gegenstromwärmetransport kann durch Wahl geeigneter Masseströme und Fluide auf einem wirtschaftlichen Mittelwert gehalten werden und strebt nicht wie beim Gleichstromwärmetransport gegen Ende der Wärmeübertragung gegen Null. • Die übertragenen Wärmemengen je Flächeneinheit unterscheiden sich an den einzelnen Austauschflächen beim Gegenstrom nicht so stark wie bei der Gleichstromführung. • Überschreitung der Gleichgewichtslinie ermöglicht, dass das „wärmere Fluid“ mit niedrigerer Temperatur austritt als das „kältere Fluid“ • die Mittelwerte für die Temperaturdifferenzen liegen bei ausreichender Länge des Wärmetauschers im Falle des Gegenstroms höher als beim Gleichstrom • ⇛ damit überträgt das wärmere Fluid beim Gegenstromwärmetauscher einen größeren Anteil seiner Wärmemenge auf das kältere Fluid als beim Gleichstromwärmetauscher. Der Energieverlust ist somit deutlich niedriger als im Falle des Gleichstromwärmetauschers.

19. Vergleich • Gleich- und Gegenstrom sind für geringe Temperaturänderungen • in ihrer Effektivität etwa gleichwertig. • Für größere Temperaturänderungen • sind Gegen- und Kreuzstromführung vorzuziehen.

20. Kreuzstrom • Kreuzstrom führt die Stoffströme so, dass sich ihre Richtungen kreuzen. Diese Stoffführung liegt im Ergebnis zwischen Gegen- und Gleichstrom.

21. Wärmeübertrager-Schaltungen

22. Allgemeine Bilanzgleichung • Speicherung = Transport + Wandlung • Für Masse, Energie, Impuls,… • Integral (« Makro ») und differentiell (« Mikro ») Beispiel thermische Energie (nicht das einfachste Beispiel)

23. Bilanzgleichung • Speicherung = Transport + Wandlung • Könnte Thema • einer eigenen Vorlesung sein • Vorlesungsblock • Übung • Um Analogie von Soff-, Impuls- und Energieübertragung zu vertiefen

24. Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz 1/3

25. Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz 2/3

26. Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz 3/3

27. Damit können wir berechnen: • Temperatur, • Masseströme, etc. • Aber keine Geometrie, d.h. « Wärmeübetragergrösse »

28. Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz am Volumenelement 1/5

29. Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz am Volumenelement 2/5

30. Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz am Volumenelement 3/5

31. Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz am Volumenelement 4/5

32. Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz am Volumenelement 5/5

33. Diese Rechnung ist vielleicht zu ausführlich für eine Vorlesung und könnte Gegenstand einer Übung sein

34. Wasser m*w = 0,2 kg/s cp,w = 4,18 kJ/(kg/K) Öl m*Ö = 0,1 kg/s cp,O = 2,31 kJ/(kg/K) Fläche A = ? k = 40 W/m²/K Ein Beispiel Berechnung Wärmeübertragerfläche 1/3

35. Ein Beispiel Berechnung Wärmeübertragerfläche 2/3

36. Ein Beispiel Berechnung Wärmeübertragerfläche 3/3

37. Hier könnten einige Übungsbeispiele folgen um den Unterschied, Vor- und Nachteile von Gegen- und Gleichstromwärmeübertragern zu zeigen. • Messtechnische Übungen? Oder Teil eines Praktikums in dem eine Wärmeübertrager Bestandteil ist.

38. Analysis of heat exchanger dynamics

39. Counter and Co-Current Heat Exchangers(Note the analogy to series of CSTR’s!!):

40. Temperature evolution cold and hot stream (intermediate points) [K]: 380 370 360 350 340 Temperature at the given grid point for cold and hot stream, [K] 330 320 310 300 290 280 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time, [s] Propagation of temperature in counter current case

41. Rohrbüdelwärmeübertrager

42. Beispiele Wärmeübertrager

43. Beispiele Brennstoffzelle

44. Beispiele Reformer

45. Gasturbine mit Dampfeinspeisung(STIG Engine)

48. Literatur http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rme%C3%BCbertrager http://www.chemgapedia.de

49. Verschiedenes • Ein Beispiel • Modellierung • Beispiel PEMFC • Analogie Stoffübertragung • Kosten

50. (2006)Creation de la Business UnitRenouvelable …Avec un développement depuis 2001 dans les énergies renouvelables Acquisition de Ausra (2010) Creation de ADAGE JV (2008) Creation d’Helion (2001) Integration des activités biomasse de T&D (2004) Acquisition de Koblitz (2008) 2000 2011… Acquisition de Multibrid (2007) Acquisition de PN Rotor (2009) AREVA Renouvelables offre un portefeuille de mix énergétique EOLIEN BIOENERGIES HYDROGENE & STOCKAGE SOLAIRE A CONCENTRATION