PT Unknown
AU Hacks, A
TI Untersuchung zur Auslegungsmethodik von sCO2-Kreisläufen in Abhängigkeit von Verdichter- und Kreislaufauslegungsparametern
PD 10
PY 2023
DI 10.17185/duepublico/79157
LA de
AB 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.
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