In einem überkritischen CO₂-Brayton-Kreislauf überträgt ein Rekuperator Wärme vom Turbinenabgas auf das komprimierte Arbeitsmedium, bevor dieses extern erwärmt wird. Ein PCHE (Druckwärmetauscher) kann attraktiv sein, da er einen kompakten Kern mit einer Auslegung für Hochdruckanwendungen kombiniert. Sein Nutzen muss jedoch anhand der Wärmebilanz und der Druckverluste des gesamten Kreislaufs bewertet werden.
Der Kreislauf komprimiert, erhitzt und expandiert ein CO₂-Arbeitsmedium und gewinnt dabei einen Teil der Restwärme zurück, bevor das Medium für den nächsten Durchgang abgekühlt wird. Je nach Kreislaufanordnung teilen sich Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Rekuperatoren die Wärmerückgewinnung, während ein Vorkühler die Wärme an die verfügbare Kühlfläche abgibt.
Diese Komponenten weisen keine identischen Betriebsbedingungen auf. Ein Hochtemperatur-Rekuperator, ein Niedertemperatur-Rekuperator und ein Vorkühler erfordern separate Temperaturprofile, mechanische Bedingungen und Materialbewertungen.
Ein hoher Wirkungsgrad des Rekuperators kann die für dieselbe Kreislaufanordnung benötigte externe Wärmezufuhr reduzieren. Dies kann eine größere Oberfläche oder eine andere Kanalgestaltung erfordern. Die damit verbundenen Druckverluste können die Kompressionsarbeit erhöhen oder die nutzbare Expansion verringern.
Ziel sollte daher die Netto-Kreislaufleistung unter Berücksichtigung von Kosten, Fläche und Druckverlust sein. Es genügt nicht, einen einzelnen Wärmetauscherkoeffizienten zu maximieren oder eine feste Verbesserung der Kreislaufeffizienz auf jede PCHE-Anlage anzuwenden.
Die Eigenschaften von CO₂ können in der Nähe des kritischen Bereichs erheblich variieren. Ein einzelner mittlerer spezifischer Wärmewert ist daher möglicherweise nicht ausreichend, um den Wärmetauscher präzise abzubilden. Das thermische Modell sollte die relevanten Druck-, Temperatur- und Eigenschaftsänderungen entlang des Strömungswegs berücksichtigen.
Für einen definierten Strom kann die Gebühr wie folgt ausgedrückt werden:Q = Massenstrom × EnthalpieänderungZur Veranschaulichung: Ein angenommener Stoffstrom von 10 kg/s mit einer angenommenen Enthalpieänderung von 100 kJ/kg überträgt 1000 kW. Diese Berechnung stellt kein Ergebnis eines SHPHE-Tests und keinen spezifizierten Betriebspunkt des Kreislaufs dar.
| Entscheidung | Angestrebter Nutzen | Abwägung zu prüfen |
|---|---|---|
| Kanalgeometrie | Wärmeübertragungsleistung und nutzbare Fläche | Druckverlust, Verteilung und Herstellbarkeit |
| Aufteilung der Rekuperatorleistung | Wärmerückgewinnung über den gesamten Zyklustemperaturbereich | Lokale Ansätze und Interaktion zwischen Komponenten |
| Material und Kernstruktur | Einhaltung der mechanischen und thermischen Anforderungen | Thermische Spannungen, zyklische Belastung und Qualifizierung |
| Vorkühleranordnung | Den erforderlichen Kompressoreinlasszustand erreichen | Saisonale Kühlkörperbedingungen und Hilfsbedarf |
Anfahren, Abfahren und schnelle Laständerungen können im Gegensatz zum normalen stationären Betriebspunkt Temperaturgradienten und Druckdifferenzen hervorrufen. Der Anlagenplaner sollte die erforderlichen Übergangsvorgänge, die Anzahl der Zyklen und etwaige Rampenbeschränkungen für die Wärmetauscherbewertung angeben.
Dergedruckter Leiterplatten-Wärmetauscher (PCHE)Die veröffentlichten oberen Grenzwerte der Produktfamilie belegen nicht, dass jede vorgeschlagene Legierung und Geometrie gleichzeitig an beiden Extremen betrieben werden kann. Die gelieferte Ausrüstung erfordert einen definierten, qualifizierten Druck-Temperatur-Bereich.
Geben Sie das Kreislaufverfahren, die Zusammensetzung der Ströme, die Betriebstabellen, die Enthalpie- oder Stoffwertgrundlage, die Druckverlustgrenzen und die angestrebte thermische Leistung an. Fügen Sie außerdem Übergangsprofile, Anforderungen an die Auslegungslebensdauer sowie den verfügbaren Platz und das Gewicht hinzu.
SHPHE kann diese Eingangsdaten zur Bewertung von Kanal- und Kernoptionen nutzen. Der daraus resultierende Wärmetauschervorschlag sollte im Rahmen des Kreislaufmodells evaluiert werden, wobei die zurückgewonnene Wärmeleistung und die Druckverluste in die Nettoleistung und Wirtschaftlichkeit des Projekts umgerechnet werden können.
EnglischEN
