Design and modeling of printed - circuit heat exchangers and centrifugal compressors for supercritical carbon dioxide
Authors: Γκούντας Απόστολος 
Published: September 2021

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.