Das Wirbelrohr:Grundlagen und neue energietechnische Anwendungen
J. U. Keller u. W. M.Inst. Fluid- & Thermodynamik, Universität Siegen57068 Siegen, GermanyE-mail: [email protected]
Einführung
Grundlagen (TK, CFD)
Anwendungen
A) Gastechnik (Zyklon)
B) Energietechnik
Zusammenfassung
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
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)…
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.)
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.