Numerical analysis of fluid flow and heat transfer characteristics of ejectors and vortex tubes

Abstract

Decarbonization of industrial processes is a great obstacle yet to overcome. One step towards a sustainable and low-emission future can be achieved by using heat pumps to provide heat for industrial processes. As heat pumps for such high temperature applications feature a large difference in condenser and evaporator pressure, the losses due to irreversible dissipation within the expansion process are high. To make high-temperature heat pumps more efficient and therefore interesting for industrial applications, two alternative expansion devices to replace the conventional throttle valve are investigated: the vortex tube and the ejector. Both devices are investigated numerically within this work to gain better understanding of the underlying fluid flow phenomena, their applicability to heat pump cycles and to give an outlook on possible cycle efficiency improvements. For the vortex tube, it is found that in order to make use of its capability of separating a fluid into a high- and low-temperature stream, which is only working when operated with a gas, a fundamentally different heat pump design is necessary. From systematic simulations, using different geometries, refrigerants and operating conditions, it is concluded that a very high pressure lift is necessary in the heat pump cycle in order to significantly improve the cycle's coefficient of performance. One promising case is found, where the coefficient of performance is improved by 19% over a standard heat pump. To efficiently simulate the flow field inside an ejector, the two-phase flow is modeled as being in a homogeneous equilibrium state. Based on this assumption, a model is developed and integrated in a commercial Computational Fluid Dynamics code to allow for fast computations without the need for experimental-based fine-tuning as opposed to a full multiphase model. The model is then used to simulate an ejector which is working within a high temperature heat pump operated with butane. The main flow features are analysed and phenomena occurring at unfavourable operating points, obtained through an unsuitable geometry, are identified.

Auf dem Weg in eine nachhaltige und emissionsarme Zukunft stellt besonders die Dekarbonisierung der Industrie eine besondere Herausforderung dar. Ein großer Beitrag zur Reduktion von Treibhausgasemissionen und zu mehr Ressourcenschonung kann durch den Einsatz von Hochtemperatur-Wärmepumpen zur Wärmebereitstellung für Industrieprozesse erzielt werden. Die dabei üblicherweise auftretenden hohen Temperaturdifferenzen zwischen Wärmequelle und -senke führen zu großen Druckdifferenzen zwischen Verdampfer und Kondensator und in Folge zu großen Drosselverlusten im Expansionsprozess, der herkömmlicherweise in einem isenthalpen Drosselventil stattfindet. Um ein gewisses Maß an Energie aus dem Expansionsprozess zurückzugewinnen werden in dieser Arbeit zwei alternative Entspannungsvorrichtungen im Hinblick auf eine potentielle Effizienzsteigerung von Wärmepumpen numerisch untersucht: das Wirbelrohr und der Ejektor. Im Bezug auf das Wirbelrohr wird hier festgestellt, dass der in Wirbelrohren angestrebte Effekt der Temperaturseparation nur für vollständig gasförmige Fluide nutzbar ist und daher ein grundlegend abweichender Wärmepumpenkreislauf notwendig ist. Der Effekt ist bei den hier untersuchten Kältemitteln deutlich geringer als zum Beispiel bei Luft. Verschiedene Kältemittel, Geometrien und Betriebsbedingungen werden untersucht, mit dem Ergebnis, dass eine hohe Druckdifferenz notwendig ist, um die Effizienz der Wärmepumpe gegenüber einer Standardwärmepumpe zu erhöhen. Ein vielversprechender Anwendungsfall, in dem der Einsatz eines Wirbelrohrs die Leistungszahl um 19% erhöht, wird vorgestellt. Um die Strömungsvorgänge in einem Zweiphasen-Ejektor effizient und ohne die Notwendigkeit der Verfügbarkeit detaillierter experimenteller Daten zu simulieren, wird die Strömung als homogen und im mechanischen und thermodynamischen Gleichgewicht befindlich modelliert. Mithilfe dieses Modells wird ein Ejektor simuliert, der mit Butan in einer Hochtemperaturwärmepumpe betrieben wird. Die Ergebnisse von Simulation und Experiment werden gegenübergestellt. Überdies werden Strömungsphänomene untersucht, die bei unerwünschten Betriebspunkten, beispielsweise durch eine für die herrschenden Bedingungen ungeeignete Ejektorgeometrie, auftreten können. Das hier entwickelte Modell kann früh im Entwicklungsprozess verwendet werden, um eine geometrische Vorauslegung durchzuführen.