Wärmeübertrager: Charakteristik, mittlere Temperaturdifferenz und Modellierung

HELION

Hochschule Niederrhein10. Nov. 2010 2010

Dr. Thomas Nietsch 1

Wärmeübertrager:Wärmeübertrager:Charakteristik,Charakteristik,

mittlere Temperaturdifferenzmittlere Temperaturdifferenzund Modellierungund Modellierung

Dr. Thomas Nietschwww.ThomasNietsch.info

10. Nov. 2010

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HELION



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

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AREVA Group Overview

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BIOENERGIES

SOLAR

HYDROGEN AND ENERGY STORAGE

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.)

Specialized EPC for solar thermal power plantsResearch and development of solar technologies

Fuel cell design and productionHydrogen productionDevelopment of next generation storage solutions

WIND POWER

Arevas erneuerbare Energien

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• Capital : 3 884 240 €

• Beginning of the activity : march 2001

• Headcount: > 50 people

• 75% of engineers

• Location : Aix-en-Provence, France

(Environment dedicated high-tech

facilities complex)

• ISO9001 and ISO14001 certifications

Supplier of CO2-free solutionsfor hydrogen production by

electrolysis, power by fuel cells energy storage

Profile

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H2 distribution

Electrical Grid

H2 storageWindmills Fuel cellElectrolysis

Conversion

Clients

O2

Renewable

Energies

Biomass O2 distribution Clients

H2 distribution

Electrical Grid

H2 storageWindmills Fuel cellElectrolysis

Conversion

Clients

O2

Renewable

Energies

Biomass O2 distribution Clients

Wasserstoffwertschöpfung

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Klassifikation von Warmeübertragern

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Einteilung von Wärmeübertragern

• Indirekte Wärmeübertrager• Direkte Wärmeübertrager• Regeneratoren

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Indirekte Wärmeübertrager

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Direkte Wärmeübertrager

Mit und ohne Phasenwandel

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Regeneratoren

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Wärmeübertrager

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Gleichstrom

Gleichstrom führt die Stoffe so, dass sieNebeneinander in gleicher Richtung strömen.Idealerweise werden beide Stofftemperaturenangeglichen und liegen immer zwischenden Ausgangstemperaturen.

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Steady-State Co-Current Heat Exchanger Profiles

(Hot inlet)

(Cold Outlet)

(Hot outlet)

(Cold inlet)

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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.

HELION



Gegenstrom

Gegenstrom: die Mittelwerte für die Temperaturdifferenzenliegen bei ausreichender Länge beim Gegenstroms höher.

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Steady-State Counter-Current Heat Exchanger Profiles

(Cold Outlet)

(Cold inlet)

(Hot outlet)

(Hot inlet)

(Length of heat exchanger)

Source: Alfalaval

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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.

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Vergleich

•Gleich- und Gegenstrom sind für geringe Temperaturänderungenin ihrer Effektivität etwa gleichwertig.•Für größere Temperaturänderungensind Gegen- und Kreuzstromführung vorzuziehen.

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Kreuzstrom

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

Gleichstrom.

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Wärmeübertrager-Schaltungen

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Allgemeine Bilanzgleichung

• Speicherung = Transport + Wandlung– Für Masse, Energie, Impuls,…– Integral (« Makro ») und differentiell (« Mikro »)

Beispiel thermische Energie (nicht das einfachste Beispiel)

hQTAkTcmTcmdt

dTmc apepp

**

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Bilanzgleichung

• Speicherung = Transport + Wandlung

• Könnte Thema– einer eigenen Vorlesung sein– Vorlesungsblock– Übung

• Um Analogie von Soff-, Impuls- und Energieübertragung zu vertiefen

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eO,op,o

*

T,c ,maO,op,o

*

T,c ,m

eu,up,u

*

T,c ,mau,up,u

*

T,c ,m

GegenstromwärmeübertragerEnergiebilanz 1/3

hQTAkTcmTcmdt

dTmc apepp

**

HELION



eO,op,o

*

T,c ,maO,op,o

*

T,c ,m

eu,up,u

*

T,c ,mau,up,u

*

T,c ,m

ü

*

E


HELION



au,eu,up,u

*

ao,eo,op,o

*

au,up,au,

*

eu,up,eu,

*

ao,op,ao,

*

eo,op,eo,

*

ü

*

au,up,au,

*

eu,up,eu,

*

ü

*

a

*

e

*

ü

*

ao,op,ao,

*

eo,op,eo,

*

ü

*

a

*

e

*

**

TT c mTT c m

oder

T c mT c mT c mT c m

:tztgleichgese Strömebeiden die

ET c mT c m

EEE

:Stromunteren den für und

ET c mT c m

EEE

:Stromoberen den für sich ergibt

T c m E

:Energie e thermischdiefür Definitionder Mit


HELION



• Damit können wir berechnen:– Temperatur,– Masseströme, etc.

– Aber keine Geometrie, d.h. « Wärmeübetragergrösse »

HELION



eO,op,o

*

T,c ,maO,op,o

*

T,c ,m

GegenstromwärmeübertragerEnergiebilanz am Volumenelement 1/5

)dA Tk(TdE

oder

)ATk(TE

Energieen übertragender und

dTcmEd

oder

TTcmΔE

mentVolumenele eineman ragungWärmeübert

uo

uo

oop,

*

o

*

ao,eo,op,

*

o

*

ü

ü

o

o

HELION



(4) dA cm

)Tk(TdT

(3) )dA Tk(TdTcm

Stromunteren den für etsprechen und

(2) dA cm

)Tk(TdT

(1) )dA Tk(TdTcm

Stromoberen den für

mentVolumenele eineman ragungWärmeübert

up,u

*ou

u

ouuup,u

*

op,o

*uo

o

uooop,o

*


HELION



(11) CkΔkΔTdA dΔ

(10) dTdTdΔ

(9) und TT ΔT

(8) )dA TCk(T dA )Tk(Tcm

1

cm

1

(7) dA cm

)Tk(TdA

cm

)Tk(TdTdT

(6) dA cm

)Tk(TdT

(5) dA cm

)Tk(TdT

ou

ou

uouo

op,o

*

up,u

*

op,o

*uo

up,u

*uo

uo

up,u

*ou

u

op,o

*uo

o

T

T


HELION



(17) 1CkAexpACk

ΔT

(16) CkA)dA exp(ΔTA

1

(15) ΔTdA A

1ΔT

:differenzTemperatur mittlere diefür sich ergibt damit

(14) CkAexpΔT/ΔT

(13) -CkΔCkΔTdAdΔΔ

nIntegratio

(12) TdA -CkTd

gr

gr

_

gr

T

T

kl

gr


HELION



)20( /ΔΔΔTlnCkA-

bzw. /ΔΔΔTCkA-exp

Gl.(14)

)19( /ΔΔΔTln

ΔTΔT

)18( 1/ΔΔΔT/ΔΔΔTln

ΔTΔT

(14) Gleichungmit

grkl

grkl

grkl

klgr

grklgrkl

gr_


HELION



• Diese Rechnung ist vielleicht zu ausführlich für eine Vorlesung und könnte

Gegenstand einer Übung sein

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C 30T eO, ?T aO,

C 100T eu, C 60T au,

Wasser m*

w = 0,2 kg/scp,w = 4,18 kJ/(kg/K)

Öl m*

Ö = 0,1 kg/scp,O = 2,31 kJ/(kg/K)

Fläche A = ?k = 40 W/m²/K

Ein Beispiel Berechnung Wärmeübertragerfläche 1/3

HELION



C 42,2/K)4,18kJ/(kg 0,2kg

8,520kJ C 30

c m

ETT

oder

ET c mT c m

EEE

:Stromoberen den für und

W8520 C) 60 - C (100 kJ/(kg/K) 2,13 kg 0,1

T c m E

:Strom(Öl)unteren den für Energie e thermischdiefür Definitionder Mit

op,o

*

ü

*

eo,ao,

ü

*

ao,op,o

*

eo,op,o

*

ü

*

a

*

e

*

**


HELION



5m²43,2K40W/m²/K

W8520

ΔTk

E F

C 43,2 CC/3059,8ln

C308,95

)18( Gl. /ΔΔΔTln

ΔTΔT ΔT

ΔTk FE

:werdenberechnet folgt kann wieFläch Die

_

*

ü

grkl

klgr_

_

ü

*

C


HELION



• 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.

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Analysis of heat exchanger dynamics

The heat exchanger is discretized into a number of elements, m. If axial conduction in plates/ pipes is ne-glected the amount of heat Q transferred in a discrete volume V in either the hot or the cold stream can be found as:

, ,i i i

i p i p i i ii i

T T AQ c c m U

t V V

A criterion for when it is appropriate to neglect axial heat transfer can be found in [Mills, 1998]:

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

, ,

, , 1

( . . !)

i i ii p i p i i i

i i

ii i p i p i i i i i i

T T AQ c c m U

t V V

i e we see each element as lumped

TQ V c c m T T U A

t

Counter-current heat exchanger

, 1 1

,

1cold p cold cold i i i m ii

cold p cold

c V T T U A T TTfor i to m

t V c

, 1 2 2 12

,

1hot p hot hot i m i m i m ii m

hot p hot


t V c

Co-current heat exchanger

, 1 1

,

2 1cold p cold cold i i i m ii

cold p cold


t V c

, 1 11

,

2 1hot p hot hot i m i m i m ii m

hot p hot


t V c

The above equations form a set of coupled ODE initial value prob-lems, which can be solved using EES or Matlab. The number of ODE’s depend on the number of axial discretizations we do for the heat exchanger…

HELION



Propagation of temperature in counter current

case

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45280

290

300

310

320

330

340

350

360

370

380Temperature evolution cold and hot stream (intermediate points) [K]:

Time, [s]

Te

mp

era

ture

at

the

giv

en

gri

d p

oin

t fo

r co

ld a

nd h

ot

stre

am

, [K

]

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Rohrbüdelwärmeübertrager

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Beispiele Wärmeübertrager

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Beispiele Brennstoffzelle

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Beispiele Reformer

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Gasturbine mit Dampfeinspeisung(STIG Engine)

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Literatur

http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rme%C3%BCbertragerhttp://www.chemgapedia.de

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Verschiedenes

• Ein Beispiel

• Modellierung

• Beispiel PEMFC

• Analogie Stoffübertragung

• Kosten

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…Avec un développement depuis 2001 dans les énergies renouvelables

Creation d’Helion (2001)

2000

Acquisition de Multibrid

(2007)

Integration des activités biomasse

de T&D (2004)

Acquisition de Koblitz

(2008)

Creation de ADAGE JV

(2008)

2011…

la Business UnitRenouvelable

(2006) Creation de

Acquisition de PN Rotor

(2009)

EOLIEN BIOENERGIESHYDROGENE & STOCKAGE

SOLAIRE A CONCENTRATION

AREVA Renouvelables offre un portefeuille de mix énergétiqueAREVA Renouvelables offre un portefeuille de mix énergétique

Acquisition Acquisition de Ausra de Ausra

(2010)(2010)

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HELION Activities

3 complementary markets

Energy storage

thermal and electrical

Power production

with fuel cells

Hydrogen production

with electrolyzers

As a major actor in Hydrogen and Energy Storage, HELION sets its sights upon 3 markets:

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HELION fields of activities

• Hydrogen production by water electrolysis using CO2-free electricity (nuclear and renewable):– Industrial gas for petrochemistry, waste CO2 treatment and synthetic fuel

production

– Energetic gas for stationary and transport applications

• Fuel Cell systems for early markets:– UPS for telecoms, data centers, hospitals,…

– High value electric generators for naval, defense and transport applications

– Education for social acceptance and commercial investment• Didactic systems on fuel cells (to be extended to renewable energy storage)

• Energy storage for RES valuation, grid stabilization, green building and back-up power supply without gas logistics

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Technological innovations

– Proprietary H2/O2 technology fuel cell stack, offering best in class worldwide characteristics for mobile applications:

• Current density of 1,7 A/cm2

• High power density: 1,4 kW/kg & 1,9 kW/l

• Integration on AUV & sea experiment in real operating conditions

FC stack for niche markets with high values such as defence, oil applications and for Greenergy Box

– Original High Pressure Low Temperature PEM electrolyser stack, dedicated to decentralised hydrogen production coupled with RES or grid:

• High efficiency• Operating pressure (40 bar)• Operating ranges• Purity of hydrogen and

oxygen produced

Electrolyser stack to be used in10 Nm3/h containerizable PEM electrolysis system and Greenergy Box proof of concept

– High Temperature electrolyser stack dedicated to hydrogen mass production coupled with nuclear reactor (ELHYPSE program):

• Average current density of0.5 A/cm2 @1.3V

• Hydrogen production at 850° C, a first in France

5-cell electrolyser stack, with first productions of hydrogen by HT water electrolysis: encouraging results for future developments

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