Was ist die beste Methode, um Wärme aus einem Druckluftbehälter zu erzeugen?

Ich möchte die aus einem Ventil austretende Druckluft in Wärme umwandeln. Ich weiß, dass ein Wirbelrohr dazu verwendet werden kann, aber ich frage mich, ob ich das Wirbelrohr modifizieren muss, um es effizienter zu machen, oder ob es nur eine andere, effizientere Möglichkeit gibt, Wärme zu erzeugen.

Eine Möglichkeit wäre, die Luft zum Antreiben einer Turbine zu verwenden (wahrscheinlich eine Radialturbine, wie sie in Turboladern verwendet wird). Die Turbine könnte mit einem Generator und der Generator mit einem Widerstand verbunden sein. Sie müssen höchstwahrscheinlich auch das Lager der Turbine und des Generators kühlen, damit Sie viel Wärme erzeugen.

Unter der Annahme, dass Ihre Druckluft (@ 4500PSI = 320bar) Raumtemperatur und 20 ° C hat, führt die Entnahme der potentiellen Druckenergie zu einer ziemlich niedrigen Temperatur am Auslass Ihres Prozesses.

Ich habe ethermo.us verwendet , um die thermodynamischen Zustände zu berechnen. Für einen idealen (Wirkungsgrad = 1,0) Prozess würde die Expansion von 320 bar und 20 ° C auf 1 bar (Umgebungsdruck) zur Kondensation von Luft führen, was alles sehr viel komplizierter macht, so dass ich nur auf 12 bar expandierte. Aber auch bei 12 bar hat die Abluft -160 ° C.

Ich würde mich freuen, wenn jemand diese Zahlen und Berechnungen überprüfen könnte!

$V = 1l$
$\rho_\mathrm{@310bar, 20°C} = 330,33 \frac{kg}{m^3}$$m_\mathrm{air}=V \cdot \rho = 0,33kg$

Schritt 2: Spezifische Enthalpiedifferenz für die isentrope Expansion. Beide Zustände haben die gleiche spezifische Entropie ( ). Anfangszustand: :$5\frac{kJ}{kgK}$
$h_\mathrm{@310bar, 20°C} = 248,39 \frac{kJ}{kg}$ h@12bar,-160°C=91,86kJ
$h_\mathrm{@12bar, -160°C} = 91,86 \frac{kJ}{kg}$

Schritt 3: Verfügbare Energie
$\Delta H = \left(h_\mathrm{@310bar, 20°C} - h_\mathrm{@12bar, -160°C} \right) \cdot m_\mathrm{air} = 51,71 kJ$

Es ist unwahrscheinlich, dass ein Prozess extrahiert, sodass es wahrscheinlich weniger ist. Ich befürchte (ohne Fehler), dass diese Energiemenge die technischen Herausforderungen nicht rechtfertigen wird.$52 kJ$

Bemerkung:
Der Wirkmechanismus des Wirbelrohrs wird von Polihronov und Straatman ¹ analytisch beschrieben . Der Autor gibt in Bezug auf Heizung ² Folgendes an :

Fazit: Wenn man die Energie von Druckgas mit dem Wirbelrohr-Effekt in Wärme umwandeln muss , ist der beste Ansatz: den heißen Ausgang des Rohrs entfernen (...) und eine Wärmepumpe damit antreiben, um Wärme zu erzeugen .

[1]: Polihronov, Jeliazko G .; Straatman, Anthony G. (2012). "Thermodynamik des Winkelantriebs in Flüssigkeiten". Physische Begutachtungsschreiben.
[2]: Polihronov, Erhitzen mit einem Wirbelrohr

Jeder Motor, der mit Druckluft betrieben werden kann, tut dies. Es gibt einige, aber stellen Sie sich als Beispiel einen Zylinder vor, in dem sich ein bisschen Druckluft befindet. Der Druck drückt so lange auf den Kolben, bis er dem atmosphärischen Druck entspricht. Dann öffnet sich ein Ventil und vielleicht drückt ein Schwungrad oder ein anderer Kolben auf einer Kurbelwelle den Kolben zurück und entlüftet die Luft in die Atmosphäre, ein neues Stück Druckluft wird eingelassen und der Zyklus wiederholt sich.

Ohne Last wandelt der Motor die gesamte Druckenergie in Reibungswärme im Zylinder oder in den Lagern sowie in Luftwiderstand um.

Da die expandierende Luft versucht, die unmittelbare Umgebung zu kühlen, müssen Sie die Zufuhr der expandierten Luft vom zu beheizenden Bereich trennen. Solange Sie einen Kühlkörper haben, können Sie eine Wärmepumpe mit einem Luftmotor betreiben.

Natürlich können Sie auch beim Befüllen des Zylinders Wärme einfangen.