Untersuchung zur Auslegungsmethodik von sCO2-Kreisläufen in Abhängigkeit von Verdichter- und Kreislaufauslegungsparametern
Kreisläufe mit überkritischem CO2 (sCO2) als Arbeitsfluid stellen für verschiedene Anwendungen eine Möglichkeit für kompaktere, einfachere und effizientere Kreisläufe zur Stromerzeugung dar. Insbesondere in den letzten zwei Jahrzehnten wurde vermehrt an diesen Kreisläufen geforscht und Versuchskreisläufe sowie erste Demonstratoren im industriellen Maßstab sind in Betrieb. Trotz allem fehlt bis heute eine Vorgehensweise, um verschiedene Komponenten und Betriebszustände bereits in der Entwurfsphase eines sCO2-Kreislaufes mit einzubeziehen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, diese Lücke zu schließen. Dabei wird insbesondere der Einfluss der sCO2 Fluideigenschaften auf den Verdichter berücksichtigt. Denn während das sCO2 in der Turbine einem idealen Gas gleicht, sind bei üblichen Eintrittszuständen des Verdichters am kritischen Punkt große Gradienten, beispielsweise der Dichte, in Abhängigkeit von statischem Druck und statischer Temperatur zu beachten. Daher wird der Betriebsbereich bezogen auf die Verdichtereintrittstemperatur analysiert. Um die Turbomaschine und insbesondere den Verdichter abzubilden sowie eine Variation der Verdichtergeometrie und Regelung zu betrachten, wird ein Turbomaschinenmodell entwickelt. Ein zusätzliches Kreislaufmodell trägt dem sCO2-Kreislauf als geschlossener Joule Kreislauf Rechnung. Mithilfe der Modelle wird gezeigt, dass die Fluideigenschaften das Kreislaufverhalten insbesondere dann dominieren, wenn bei der Auslegung eine gewisse Spanne möglicher Verdichtereintrittstemperaturen zu berücksichtigen ist. Hingegen hat die Geometrie des Verdichters nur marginalen Einfluss auf die Empfindlichkeit des Verdichterbetriebspunktes, Kreislaufwirkungsgrades und maximalen Druckes im Kreislauf gegenüber der Verdichtereintrittstemperatur. Die Volumenverteilung im Kreislauf als auch die Wahl der Auslegungszustände von Verdichter und Turbine ermöglichen aber sehr wohl eine Beeinflussung dieser Sensitivität. In dieser Arbeit werden ein Modell und Auslegungsdiagramme entwickelt, welche es erlauben, die Abhängigkeit einzelner Parameter wie der Auslegungsdrücke der Komponenten oder des Kreislaufwirkungsgrades von der Verdichtereintrittstemperatur zu ermitteln. So ermöglichen die Diagramme es, die Sensitivität genannter Parameter bei der Festlegung des thermodynamischen Auslegungszustandes des Verdichters und der Volumenverteilung im Kreislauf zu berücksichtigen. Die Arbeit liefert damit eine Methode für die Vorauslegung eines sCO2-Kreislaufes für den zu erwartenden Temperaturbereich am Verdichtereintritt und schafft eine fundierte Basis für die Detailauslegung.
Cycles with supercritical CO2 (sCO2) as working fluid represent a possibility for simpler, more compact and more efficient cycles for power generation for various applications. Especially in the last two decades, research on these cycles grew and experimental cycles but also first industrial scale demonstrators are in operation. Despite all this, there are still no guidelines on how to include different components and operating conditions in the early design phase of an sCO2-cycle. The aim of this work is to close this gap. In particular, the influence of the sCO2 fluid properties on the compressor is considered. This is because, while the sCO2 in the turbine resembles an ideal gas, large gradients, for example of density, as a function of static pressure and temperature have to be considered for usual inlet conditions of the compressor at the critical point. Therefore, the operating range is analyzed with respect to the compressor inlet temperature. A turbomachinery model is developed to represent the turbomachine and in particular the compressor, allowing to study the effects of a variation of its geometry or a control. An additional cycle model takes into account the sCO2 cycle as a closed Joule cycle. With the help of the models, it is shown that the fluid properties dominate the cycle behavior especially when a certain range of possible compressor inlet temperatures has to be considered in the design. In contrast, compressor geometry has only a marginal effect on the sensitivity of compressor operating point, cycle efficiency, and maximum pressure in the cycle to compressor inlet temperature. However, both the choice of compressor and turbine design conditions and the volume distribution in the cycle allow this sensitivity to be influenced. In this work, a model and design diagrams are developed, which allow to determine the dependence of individual parameters such as the design pressures of the components or the efficiency of the cycle on the compressor inlet temperature. Thus, the diagrams allow the sensitivity of named parameters to be taken into account when determining the thermodynamic design condition of the compressor and the volume distribution in the cycle. The work thus provides a method for a preliminary layout of a sCO2 cycle for a given expected temperature range at the compressor inlet and creates a sound basis for the detailed design.