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Dr. Thomas Nietsch 1
Wärmeübertrager:Wärmeübertrager:Charakteristik,Charakteristik,
mittlere Temperaturdifferenzmittlere Temperaturdifferenzund Modellierungund Modellierung
Dr. Thomas Nietschwww.ThomasNietsch.info
10. Nov. 2010
2
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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.
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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
**
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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
ü
*
E
GegenstromwärmeübertragerEnergiebilanz 2/3
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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
GegenstromwärmeübertragerEnergiebilanz 3/3
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• Damit können wir berechnen:– Temperatur,– Masseströme, etc.
– Aber keine Geometrie, d.h. « Wärmeübetragergrösse »
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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
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(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
*
GegenstromwärmeübertragerEnergiebilanz am Volumenelement 2/5
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(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
GegenstromwärmeübertragerEnergiebilanz am Volumenelement 3/5
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(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
GegenstromwärmeübertragerEnergiebilanz am Volumenelement 4/5
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)20( /ΔΔΔTlnCkA-
bzw. /ΔΔΔTCkA-exp
Gl.(14)
)19( /ΔΔΔTln
ΔTΔT
)18( 1/ΔΔΔT/ΔΔΔTln
ΔTΔT
(14) Gleichungmit
grkl
grkl
grkl
klgr
grklgrkl
gr_
GegenstromwärmeübertragerEnergiebilanz am Volumenelement 5/5
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• 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
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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
*
**
Ein Beispiel Berechnung Wärmeübertragerfläche 2/3
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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
Ein Beispiel Berechnung Wärmeübertragerfläche 3/3
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• 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
c V T T U A T TTfor i to m
t V c
Co-current heat exchanger
, 1 1
,
2 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 11
,
2 1hot p hot hot i m i m i m ii m
hot p hot
c V T T U A T TTfor i to m
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…
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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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