Osana DESOLINATION-hankkeen jatkuvaa tehtävää hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi suolanpoistoprosessissa LUT-yliopistossa on saavutettu merkittävä virstanpylväs: LUT:n yliopiston kokeellinen validointi 3D-tulostetusta heat exchanger. Tämä läpimurto osoittaa, että additiivinen valmistus (tunnetaan myös nimellä 3D-tulostus) voi parantaa merkittävästi lämmönvaihtimien suorituskykyä, joita käytetään ylikriittinen hiilidioksidi (sCO2) Braytonin syklit, mikä tasoittaa tietä tehokkaammille energiajärjestelmille.

DESOLINATION-hankeryhmä saavutti hiljattain merkittävän virstanpylvään validoimalla onnistuneesti koeasetelmansa. LUT University. Tämä validointiprosessi sisälsi useita keskeisiä vaiheita:

1. Suunnittelu: Ryhmä kehitti 3D-tulostetun lämmönvaihtimen piirustuksen ja keskittyi optimoimaan sen muodon ja toiminnan.
2. Simulointi: Käyttämällä työkaluja, kuten Laskennallinen virtausdynamiikka (CFD), tiimi simuloi, miten lämmönvaihdin toimisi todellisissa olosuhteissa.
3. Additiivinen valmistus: Lämmönvaihdin tulostettiin käyttämällä kehittyneitä 3D-tulostustekniikoita, mikä mahdollistaa monimutkaisemman ja tehokkaamman suunnittelun.
4. Kokoonpano: Tulostetut osat koottiin sitten täysin toimivaksi lämmönvaihtimeksi.
5. Testaus: Viimeisenä vaiheena testattiin lämmönvaihdin sen varmistamiseksi, että se kestää sCO2 Braytonin kierrossa odotettavissa olevat paineet ja lämpötilat.

Näiden vaiheiden onnistunut suorittaminen osoittaa, että 3D-tulostetut lämmönvaihtimet voivat toimia tehokkaasti korkeassa paineessa ja korkeassa lämpötilassa. Tämä läpimurto on tärkeä askel kohti näiden edistyksellisten mallien integroimista todellisiin keskittävän aurinkoenergian (CSP) järjestelmiin.

Lämmönvaihtimien rooli suolanpoistossa ja energiantuotannossa

Lämmönvaihtimet ovat ratkaisevan tärkeitä järjestelmissä, jotka muuttavat lämmön käyttökelpoiseksi energiaksi. DESOLINATION-hankkeessa ne ovat keskeisiä komponentteja DESOLINATION-hankkeessa. sCO2 Braytonin kierto, termodynaaminen prosessi, jossa lämpöä käytetään sähkön tuottamiseen. Yhdistettynä keskittyvä aurinkoenergia (CSP)-jotka keskittävät aurinkoenergiaa tuottamaan runsaasti lämpöä, nämä järjestelmät tarjoavat tehokkaamman tavan tuottaa sähköä ja vähentää samalla hiilidioksidipäästöjä.

SCO2 Braytonin sykleissä vaadittaviin äärimmäisiin olosuhteisiin (jopa 600 °C:n lämpötilat ja noin 250 baarin paineet) soveltuvien lämmönvaihtimien luominen on kuitenkin erittäin haastavaa. Tässä kohtaa additiivinen valmistus tulee sisään.

DESOLINATIONin edetessä 3D-tulostettujen lämmönvaihtimien jatkuva kehittäminen ja testaaminen on ratkaisevassa asemassa kestävämpien ja tehokkaampien energiajärjestelmien luomisessa. Jokaisen virstanpylvään myötä hanke lähestyy visiotaan maailmasta, jossa suolanpoisto toimii puhtaalla, uusiutuvalla energialla. Yhdistämällä huipputekniikoita, kuten additiivista valmistusta ja kehittyneitä termodynaamisia prosesseja, DESOLINATION-hankkeessa tasoitetaan tietä vihreämmälle ja turvallisemmalle tulevaisuudelle.

Euroopan unionin Horisontti 2020 -ohjelmasta rahoitettu DESOLINATION-hanke on edistynyt merkittävästi tehtävässään hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi suolanpoistossa. Yksi jännittävimmistä kehityskuluista tulee työstämme, jonka tavoitteena on optimoida lämmönvaihtimet käytettäväksi ylikriittinen hiilidioksidi (sCO2) Braytonin syklit. Nämä innovaatiot voivat mullistaa sen, miten tuotamme sähköä uusiutuvista energialähteistä, kuten aurinkoenergiasta. Seuraavassa tarkastellaan lähemmin, miten Laskennallinen virtausdynamiikka (CFD) on avainasemassa näissä ponnisteluissa.

Näissä ääriolosuhteissa toimivien lämmönvaihtimien suunnittelu ei ole mikään pieni saavutus. Varmistaakseen parhaan mahdollisen suunnittelun DESOLINATION käyttää Laskennallinen virtausdynamiikka (CFD)-tehokas tietokonetyökalu, joka mallintaa, miten nesteet virtaavat ja miten lämpö siirtyy monimutkaisissa järjestelmissä.

CFD:n avulla projektiryhmä (erityisesti TEMISTh) lämmönvaihtimen suorituskyvyn simuloimiseksi virtuaaliympäristössä. Tähän sisältyy seuraavien keskeisten tekijöiden analysointi:

• Lämpötehokkuus: Kuinka hyvin lämmönvaihdin siirtää lämpöä nesteestä toiseen.
• Painehäviö: Paineen aleneminen, joka tapahtuu nesteen virratessa lämmönvaihtimen läpi ja joka voi vaikuttaa järjestelmän kokonaistehoon.
• Lämpömekaaniset rajoitteet: Rakenteelliset rasitukset, jotka vaihtimen on kestettävä korkeissa lämpötiloissa ja paineissa.

CFD:n avulla tiimi voi löytää optimaalisen tasapainon lämpötehokkuuden ja painehäviön välille ja varmistaa, että lämmönvaihdin toimii hyvin ja on samalla kestävä.

Todellisen maailman testaus King Saudin yliopistossa

Kun suunnittelua on hienosäädetty CFD:n avulla, seuraava vaihe on testaus todellisessa maailmassa. Ryhmä aikoo käyttää näitä lämmönvaihtimia seuraavat vuodet 4,000 tuntia pilottilaitoksessa King Saud University. Nämä testit vievät projektia lähemmäs Teknologian valmiustaso (TRL) 7, mikä tarkoittaa, että teknologia on valmis käytettäväksi todellisissa järjestelmissä.

CFD:n rooli: lämmönvaihtimen suorituskyvyn optimointi

Näiden simulaatioiden alustavat tulokset ovat lupaavia. Ryhmä uskoo, että heidän suunnittelemansa mallit voivat ylittää sCO2-Brayton-syklien lämmönvaihtimille asetetut rajat. Onnistuessaan nämä innovaatiot tasoittavat tietä entistä tehokkaammille keskittyvä aurinkoenergia (CSP) laitokset, joissa aurinkoenergia keskitetään tuottamaan runsaasti lämpöä, jota voidaan käyttää sähköntuotantoon.

CFD: Enemmän kuin pelkkä insinöörityökalu

Teknisten ominaisuuksiensa lisäksi CFD on osoittautunut myös tehokkaaksi viestintävälineeksi. Sen avulla luodut simulaatiot tarjoavat visuaalisesti houkuttelevia esityksiä siitä, miten lämpö ja nesteet liikkuvat järjestelmän läpi, mikä helpottaa hankkeen taustalla olevan tieteen selittämistä laajemmalle yleisölle.

Käyttämällä CFD:tä näiden huippuluokan lämmönvaihtimien suunnittelussa ja optimoinnissa DESOLINATION-hanke ottaa valtavan askeleen kohti kestävämpiä ja tehokkaampia energiajärjestelmiä ja vie meitä lähemmäs tulevaisuutta, jossa suolanpoisto voidaan toteuttaa puhtaalla, uusiutuvalla energialla.