Design and modeling of printed - circuit heat exchangers and centrifugal compressors for supercritical carbon dioxide

Abstract

The closed loop Brayton cycle using supercritical carbon dioxide (s-CO2) is a promising technology for waste heat recovery and power production. This thesis presents the design and performance modeling of the most critical cycle components, namely the printed-circuit heat exchangers and the centrifugal compressor. The attainable limits of recompression Brayton cycle efficiency, using supercritical carbon dioxide, are investigated. A comprehensive study on the design and modeling of printed-circuit heat exchangers and the centrifugal compressor is used to achieve this goal. A case study of a thermodynamic analysis is used for a power cycle with a thermal load of 600 MW. The results indicate that thermal efficiency figures exceeding 46% are possible for a turbine inlet temperature of 830 K. The supercritical carbon dioxide varies abruptly its properties, particularly close to the critical point. Therefore, a split cycle with recompression is used to reduce the entropy generation. The design of heat exchangers based on the printed-circuit technology are investigated. The components are modeled by using a one-dimensional segmental analysis, three-dimensional computational fluid dynamics analysis and experimental methods. The limits of attainable heat exchanger effectiveness and their effect on the total efficiency are investigated. The performed analysis validated by experimental data, suggests a high effectiveness design for the high-temperature recuperator.The pressurized conditions of the supercritical carbon dioxide and the two-phase risk approaching the critical region, point the need to investigate the centrifugal compressor design and operation. Both direct and inverse problems are solved. The direct design problem is solved for a tested centrifugal compressor. The inverse problem is solved in order to obtain the compressor geometry that meets the necessary thermodynamic conditions. An iterative one-dimensional design model has been developed, aiming to estimate through the compressor efficiency. A computational fluid dynamics analysis is used, in order to investigate the flow field in the compressor, taking into account the real gas effects. The two-phase flow at the compressor inlet is examined, in view of identifying the local flow acceleration at the impeller leading edge. Moreover, the effect of tip clearance on the compressor performance and its impact on possible condensation is investigated. It has been shown that when tip clearance increases from 1% to 5% (1 mm) of blade height, condensation occurs at the leading edge tip. The compressor performance map is derived and the condensation investigation leads to a limited operational range in order to ensure supercritical flow throughout the cycle.The high-temperature recuperator with 99% effectiveness should lead to 0.1% cycle efficiency improvement. Moreover, the designed compressor’s operational range is limited to a 30% of the initial range for low rotational speed and to a 25% for higher rotational speeds.

Ο κλειστός κύκλος Brayton με υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα (s-CO2) αποτελεί μία ελπιδοφόρα τεχνολογία στον τομέα της ανάκτησης θερμότητας κα στην παραγωγή ενέργειας. Η παρούσα διατριβή παρουσιάζει το σχεδιασμό και την μοντελοποίηση της λειτουργίας των πιο βασικών επιμέρους τμημάτων αυτού του κύκλου, των εναλλακτών τύπου «τυπωμένου κυκλώματος» (PCHE) και του φυγοκεντρικού συμπιεστή. Στη μελέτη ερευνώνται τα όρια που μπορούν να επιτευχθούν σχετικά με την απόδοση ενός κύκλου Brayton επανασυμπίεσης με υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, πραγματοποιείται μία ενδελεχής μελέτη στο σχεδιασμό και τη μοντελοποίηση των εναλλακτών θερμότητας του συστήματος και του φυγοκεντρικού συμπιεστή. Η περίπτωση ενός κύκλου ισχύος 600 MW αναλύεται θερμοδυναμικά και τα αποτελέσματα δείχνουν πως ένας θερμικός βαθμός απόδοσης που ξεπερνά το 46% είναι δυνατό να επιτευχθεί, για θερμοκρασία εισόδου στο στρόβιλο 830 Κ. Το υπερκρίσιμο διοξείδιο του άνθρακα μεταβάλλει ιδιαίτερα απότομα τις ιδιότητές του κοντά στο κρίσιμο σημείο του, οδηγώντας στη ανάπτυξη ενός κύκλου διαχωρισμού (split cycle) με επανασυμπίεση προκειμένου να μειωθεί η παραγωγή εντροπίας του κύκλου. Ο σχεδιασμός των εναλλακτών θερμότητας τύπου «τυπωμένου κυκλώματος» ερευνάται, χρησιμοποιώντας μία μονοδιάστατη τμηματική ανάλυση του εναλλάκτη, τρισδιάστατο μοντέλο υπολογιστικής ρευστοδυναμικής και πειραματικά δεδομένα. Τα όρια της αποτελεσματικότητας του εναλλάκτη θερμότητας και η επίδρασή τους στο βαθμό απόδοσης του κύκλου ερευνήθηκαν. Τα αριθμητικά αποτελέσματα επικυρώνονται από τα πειραματικά δεδομένα, προτείνοντας τελικά ένα σχεδιασμό υψηλής αποτελεσματικότητας για τον εναλλάκτη υψηλών θερμοκρασιών του κύκλου.Παράλληλα, οι συνθήκες υψηλής πίεσης του υπερκρίσιμου διοξειδίου του άνθρακα και ο κίνδυνος ύπαρξης διφασικής ροής κοντά στο κρίσιμο σημείο, καταδεικνύουν την ανάγκη να ερευνηθεί ο σχεδιασμός και η λειτουργία του φυγοκεντρικού συμπιεστή για τον υπό μελέτη κύκλο. Το ευθύ και το αντίστροφο πρόβλημα επιλύονται για αυτό το σκοπό. Το ευθύ πρόβλημα επιλύεται για έναν πειραματικά μελετημένο φυγοκεντρικό συμπιεστή, ενώ το αντίστροφο πρόβλημα επιλύεται προκειμένου να εξαχθεί η κατάλληλη γεωμετρία του συμπιεστή για τις θερμοδυναμικές συνθήκες του κύκλου που μελετήθηκε. Ένα επαναληπτικό μονοδιάστατο μοντέλο αναπτύχθηκε, οδηγώντας στον υπολογισμό της απόδοσης του συμπιεστή. Επιπρόσθετα, μία μέθοδος υπολογιστικής ρευστοδυναμικής χρησιμοποιήθηκε, προκειμένου να διερευνηθεί το πεδίο ροής του συμπιεστή, λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση της θεώρησης του πραγματικού αερίου για το διοξείδιο του άνθρακα. Η πιθανότητα ανάπτυξης διφασικής ροής στην είσοδο του συμπιεστή μελετήθηκε, αξιολογώντας την τοπική επιτάχυνση της ροής στην πτερωτή. Επιπλέον, η επίδραση του διάκενου κορυφής στη λειτουργία του συμπιεστή μελετήθηκε, καθώς και η επίδρασή της στην πιθανότητα συμπύκνωσης. Η έρευνα έδειξε ότι όταν το διάκενο αυξάνεται από 1% σε 5% του ύψους πτερυγίου, συμπύκνωση παρουσιάζεται στην κορυφή του πτερυγίου στην άκρο εισόδου του συμπιεστή (leading edge). Ο χαρακτηριστικός χάρτης λειτουργίας του συμπιεστή δημιουργήθηκε, ενώ η διερεύνηση της πιθανότητας συμπύκνωσης οδήγησε σε ένα περιορισμένο εύρος λειτουργίας ώστε να διασφαλίζεται η υπερκρίσιμη ροή για το συμπιεστή.Τελικά, η έρευνα δείχνει πως ο εναλλάκτης υψηλών θερμοκρασιών με αποτελεσματικότητα 99% μπορεί να οδηγήσει σε μία βελτίωση του κύκλου κατά 0.1%, ενώ το εύρος λειτουργίας του σχεδιασμένου συμπιεστή μειώνεται στο 30% του αρχικού εύρους λειτουργίας για χαμηλές στροφές και στο 25% του αρχικού εύρους λειτουργίας για υψηλότερες στροφές του συμπιεστή.