Wrmebertrager Charakteristik mittlere Temperaturdifferenz und Modellierung Dr Thomas

Wärmeübertrager: Charakteristik, mittlere Temperaturdifferenz und Modellierung Dr. Thomas Nietsch www. Thomas. Nietsch. info 10. Nov. 2010 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 1

Mein Werdegang • 1961 • 1989 • • • geboren in Berlin Dipl. -Ing. Energie- und Verfahrenstechnik, TUBerlin, 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 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 2 2

AREVA Group Overview Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 3

Arevas erneuerbare Energien WIND POWER BIOENERGIES SOLAR HYDROGEN AND ENERGY STORAGE Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION 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 plants Research and development of solar technologies Fuel cell design and production Hydrogen production Development of next generation storage solutions Dr. Thomas Nietsch 4

Profile • Capital : 3 884 240 € • Beginning of the activity : march 2001 • Headcount: > 50 people • 75% of engineers • Location : Aix-en-Provence, France Supplier of CO 2 -free solutions for hydrogen production by electrolysis, power by fuel cells energy storage (Environment dedicated high-tech facilities complex) • ISO 9001 and ISO 14001 certifications Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 5

Wasserstoffwertschöpfung Renewable Energies Biomass Conversion H 2 distribution Clients O 2 Windmills Electrolysis H 2 storage Fuel cell Electrical Grid Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 6

Klassifikation von Warmeübertragern Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 7

Einteilung von Wärmeübertragern • Indirekte Wärmeübertrager • Direkte Wärmeübertrager • Regeneratoren Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 8

Indirekte Wärmeübertrager Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 9

Direkte Wärmeübertrager Mit und ohne Phasenwandel Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 10

Regeneratoren Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 11

Wärmeübertrager Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 12

Gleichstrom führt die Stoffe so, dass sie Nebeneinander in gleicher Richtung strömen. Idealerweise werden beide Stofftemperaturen angeglichen und liegen immer zwischen den Ausgangstemperaturen. Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 13

Steady-State Co-Current Heat Exchanger Profiles (Hot inlet) (Hot outlet) (Cold Outlet) (Cold inlet) Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 14

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. Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 15

Gegenstrom: die Mittelwerte für die Temperaturdifferenzen liegen bei ausreichender Länge beim Gegenstroms höher. Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 16

Steady-State Counter-Current Heat Exchanger Profiles (Hot inlet) Source: Alfalaval (Cold Outlet) (Hot outlet) (Cold inlet) Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch (Length of heat exchanger) 17

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. • • Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 18

Vergleich • Gleich- und Gegenstrom sind für geringe Temperaturänderungen in ihrer Effektivität etwa gleichwertig. • Für größere Temperaturänderungen sind Gegen- und Kreuzstromführung vorzuziehen. Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 19

Kreuzstrom • Kreuzstrom führt die Stoffströme so, dass sich ihre Richtungen kreuzen. Diese Stoffführung liegt im Ergebnis zwischen Gegen- und Gleichstrom. Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 20

Wärmeübertrager-Schaltungen Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 21

Allgemeine Bilanzgleichung • Speicherung = Transport + Wandlung – Für Masse, Energie, Impuls, … – Integral ( « Makro » ) und differentiell ( « Mikro » ) Beispiel thermische Energie (nicht das einfachste Beispiel) Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 22

Bilanzgleichung • Speicherung = Transport + Wandlung • Könnte Thema – einer eigenen Vorlesung sein – Vorlesungsblock – Übung • Um Analogie von Soff-, Impuls- und Energieübertragung zu vertiefen Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 23

Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz 1/3 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 24

Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz 2/3 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 25

Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz 3/3 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 26

• Damit können wir berechnen: – Temperatur, – Masseströme, etc. – Aber keine Geometrie, d. h. « Wärmeübetragergrösse » Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 27

Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz am Volumenelement 1/5 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 28

Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz am Volumenelement 2/5 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 29

Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz am Volumenelement 3/5 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 30

Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz am Volumenelement 4/5 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 31

Gegenstromwärmeübertrager Energiebilanz am Volumenelement 5/5 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 32

• Diese Rechnung ist vielleicht zu ausführlich für eine Vorlesung und könnte Gegenstand einer Übung sein Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 33

Ein Beispiel Berechnung Wärmeübertragerfläche 1/3 Wasser m*w = 0, 2 kg/s cp, w = 4, 18 k. J/(kg/K) Öl m*Ö = 0, 1 kg/s cp, O = 2, 31 k. J/(kg/K) Fläche A = ? k = 40 W/m²/K Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 34

Ein Beispiel Berechnung Wärmeübertragerfläche 2/3 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 35

Ein Beispiel Berechnung Wärmeübertragerfläche 3/3 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 36

• 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. Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 37

Analysis of heat exchanger dynamics Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 38

Counter and Co-Current Heat Exchangers (Note the analogy to series of CSTR’s!!): Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 39

Propagation of temperature in counter current case Temperature evolution cold and hot stream (intermediate points) [K]: Temperature at the given grid point for cold and hot stream, [K] 380 370 360 350 340 330 320 310 300 290 280 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Time, [s] Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 40

Rohrbüdelwärmeübertrager Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 41

Beispiele Wärmeübertrager Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 42

Beispiele Brennstoffzelle Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 43

Beispiele Reformer Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 44

Gasturbine mit Dampfeinspeisung (STIG Engine) Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 45

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Literatur http: //de. wikipedia. org/wiki/W%C 3%A 4 rme%C 3%BCbertrager http: //www. chemgapedia. de Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 48

Verschiedenes • • • Ein Beispiel Modellierung Beispiel PEMFC Analogie Stoffübertragung Kosten Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 49

…Avec un développement depuis 2001 dans les énergies renouvelables Creation d’Helion (2001) Integration des activités biomasse de T&D (2004) Acquisition Creation de Acquisition de Koblitz ADAGE JV de Ausra (2008) (2010) (2008) (2006) Creation de 2000 2011… la Business Unit Renouvelable Acquisition de Multibrid (2007) Acquisition de PN Rotor (2009) AREVA Renouvelables offre un portefeuille de mix énergétique EOLIEN Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION BIOENERGIES HYDROGENE & STOCKAGE Dr. Thomas Nietsch SOLAIRE A CONCENTRATION 50

HELION Activities As a major actor in Hydrogen and Energy Storage, HELION sets its sights upon 3 markets: Hydrogen production with electrolyzers Power production with fuel cells Energy storage thermal and electrical 3 complementary markets Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 51

HELION fields of activities • Hydrogen production by water electrolysis using CO 2 -free electricity (nuclear and renewable): – Industrial gas for petrochemistry, waste CO 2 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 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION Dr. Thomas Nietsch 52

Technological innovations 1 – 2 Proprietary H 2/O 2 technology fuel cell stack, offering best in class worldwide characteristics for mobile applications: • Current density of 1, 7 A/cm 2 • High power density: 1, 4 k. W/kg & 1, 9 k. W/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 Hochschule Niederrhein 10. Nov. 2010 HELION – 3 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 in 10 Nm 3/h containerizable PEM electrolysis system and Greenergy Box proof of concept Dr. Thomas Nietsch – High Temperature electrolyser stack dedicated to hydrogen mass production coupled with nuclear reactor (ELHYPSE program): • Average current density of 0. 5 A/cm 2 @1. 3 V • 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 53