Eksperimentalna in numerična ÅĄtudija superkritičnega hladilnika CO₂: Prispevek DESOLINATION, nagrajen na 6. evropski konferenci sCO₂

Eksperimentalna in numerična ÅĄtudija superkritičnega hladilnika CO₂: Prispevek DESOLINATION, nagrajen na 6. evropski konferenci sCO₂

by | 14. maj 2025 | Article, Publications

V okviru projekta DESOLINATION programa Obzorje 2020 je bila izvedena nova ÅĄtudija z naslovom “Eksperimentalna in numerična ÅĄtudija superkritičnega hladilnika CO₂” je bila predstavljena na 6. evropski konferenci o superkritičnem CO₂ (sCO₂) za energetske sisteme, ki je potekala od 9. do 11. aprila 2025 v Delftu na Nizozemskem.

Raziskava, ki jo je vodil Univerza LUT v sodelovanju z TEMISTH, je prejel Nagrada za najboljÅĄi članek na konferenci kot priznanje za njeno znanstveno kakovost in pomembnost.

Read publication
Preučevanje učinkovitosti PCHE v ciklih superkritičnega CO₂

Å tudija se osredotoča na termohidravlična zmogljivost o izmenjevalnik toplote s tiskanim vezjem (PCHE) delovanje z superkritični ogljikov dioksid (sCO₂) - delovna tekočina, ki je jedro inovativnega energetskega bloka DESOLINATION. PCHE so kompaktna in visoko učinkovita reÅĄitev, primerna za ekstremne pogoje energetskih sistemov na osnovi sCO₂, kot so tisti, ki so vključeni v tehnologije koncentrirane sončne energije (CSP) in razsoljevanja.

Uporaba kombinacije eksperimentalno testiranje and računalniÅĄka dinamika tekočin (CFD), ekipa je ocenila značilnosti prenosa toplote in padca tlaka sCO₂, ki teče skozi mikrokanale PCHE. Å tudija je bila usmerjena na psevdokritično območje, pri čemer se CO₂ hitro spreminja, kar povečuje prenos toplote, vendar oteÅūuje napovedno modeliranje.

Podpiranje ciljev DESOLINATION

To delo neposredno prispeva k cilju druÅūbe DESOLINATION, da razvije učinkovit sistem za razsoljevanje na sončno energijo. z izboljÅĄanjem napovedovanja zmogljivosti in načrtovanja ključnih komponent v energetskem ciklu sCO₂. Zlasti zagotavlja potrjena orodja in spoznanja, ki so bistvena za vključevanje izmenjevalniki toplote z visokim izkoristkom v prihodnji demonstracijski obrat projekta.

Read publication

Authors: Giuseppe Petruccelli, Teemu Turunen-Saaresti, Damien Serret, Aki GrÃķnman, AurÃĐlien Conrozier in Amir Momeni Dolatabadi.

DOI: 10.17185/duepublico/83320

Ključni rezultati
  • Eksperimentalni podatki so bili zbrani v ÅĄirokem razponu delovnih pogojev v transkritičnem testnem centru za CO₂ na Univerzi LUT, kar zagotavlja dragoceno referenčno vrednost za preverjanje numeričnih modelov.
  • The Simulacije CFD, ki vključuje obnaÅĄanje realnega plina in model turbulence SST k-ω, je pokazal dobro ujemanje z izmerjenimi padci tlaka in izhodnimi temperaturami.
  • A nova korelacija faktorja trenja je bil izpeljan iz rezultatov poskusov. UpoÅĄteva hrapavost povrÅĄine in dosega natančnost napovedi v okviru Âą10% izmerjenih vrednosti, kar je pomemben napredek v primerjavi z obstoječimi korelacijami.
  • Å tudija je pokazala tudi, da pogosto uporabljene korelacije prenosa toplote se nagibajo k podcenjevanje učinkovitosti. v mikrokanalnih tokovih z visokim Reynoldsovim ÅĄtevilom in sCO₂, kar poudarja potrebo po bolj prilagojenih napovednih modelih.
Priznanje na konferenci

Na 6. evropski konferenci o sCO₂ se je zbralo več kot 100 strokovnjakov iz akademskih krogov in industrije, ki so razpravljali o najnovejÅĄih inovacijah na področju tehnologije sCO₂. Poleg tehničnih sej je bila DESOLINACIJA izpostavljena tudi na Osrednja predstavitev v petek zjutraj Gioele Di Marcoberardino (UNIBS), ki je predstavil sploÅĄne cilje projekta in dosedanji napredek.

🏆 Časopis je prejel Nagrada za najboljÅĄi članek na konferenci, kar je priznanje za kakovost in pomen raziskav za mednarodno raziskovalno in inÅūenirsko skupnost sCO₂. To priznanje poudarja prispevek projekta DESOLINATION k napredku razumevanja na ravni komponent, ki je ključnega pomena za razvoj integriranih sistemov za razsoljevanje na sončno energijo.

🔎 Konzorcij DESOLINATION čestita avtorjem - Giuseppe Petruccelli, Teemu Turunen-Saaresti, Damien Serret, Aki GrÃķnman, AurÃĐlien Conrozier in Amir Momeni Dolatabadi - za to zasluÅūeno priznanje in za njihov dragoceni prispevek k prihodnosti trajnostnih energetskih in vodnih sistemov.

Sočasna optimizacija zasnove binarnih energetskih ciklov na osnovi meÅĄanice CO2 za uporabo koncentrirane sončne energije

Sočasna optimizacija zasnove binarnih energetskih ciklov na osnovi meÅĄanice CO2 za uporabo koncentrirane sončne energije

by | 11. september 2024 | Publications, Results - CO2 Mixtures in thermodynamic cycles

Pri prizadevanjih za čistejÅĄo in učinkovitejÅĄo energijo so se sistemi koncentrirane sončne energije (CSP) izkazali za obetavnega kandidata. Vendar je njihov potencial omejen zaradi potrebe po inovativnih in stroÅĄkovno učinkovitih reÅĄitvah za pretvorbo sončne toplote v električno energijo.

Z veseljem napovedujemo prelomno publikacijo, ki jo je izdala Univerza Teesside, eden od naÅĄih partnerjev, je na konferenci ASME (AmeriÅĄko zdruÅūenje strojnih inÅūenirjev) predstavil Turbo Expo 2024 (Tehnična konferenca in razstava o turbostrojni opremi).

To delo razkriva inovativen pristop k optimizaciji energetskih ciklov za sisteme CSP, ki omogoča napredek na področju učinkovitosti in trajnosti.

V nedavni ÅĄtudiji je bil predstavljen inovativen pristop k izboljÅĄanju energetskih ciklov sistemov koncentrirane sončne energije (CSP), ki so ključna tehnologija na področju obnovljivih virov energije. Ta raziskava se osredotoča na optimizacijo delovanja sistemov, ki kot delovne tekočine uporabljajo meÅĄanice na osnovi CO₂, kar omogoča pomemben napredek pri učinkovitosti, stroÅĄkovni učinkovitosti in prilagodljivosti različnim pogojem delovanja.

Read publication

Tradicionalno se sistemi CSP zanaÅĄajo na pretvorbo sončne toplote v električno energijo s pomočjo energetskih ciklov. Ta ÅĄtudija izboljÅĄuje ta proces z razvojem strategije hkratne optimizacije. UpoÅĄteva zasnovo energetskega cikla, izbiro kemičnih dodatkov (dopantov) in posebno sestavo delovnih tekočin na osnovi CO₂. S skupno analizo teh dejavnikov Åūelijo raziskovalci povečati učinkovitost sistema in hkrati zmanjÅĄati stroÅĄke.

V ÅĄtudiji so te inovacije preizkuÅĄene v realističnih scenarijih, vključno z dvema temperaturnima območjema delovanja: 550 °C, ki je značilna za sedanje sisteme CSP, in viÅĄjo temperaturo 700 °C za napredne modele. UpoÅĄteva tudi temperature okolice 30 °C, 35 °C in 40 °C, ki odraÅūajo različna okolja, v katerih delujejo sistemi CSP.

Eden ključnih doseÅūkov je uporaba binarnih meÅĄanic CO₂ v kombinaciji s kemičnimi dopanti, kot sta Åūveplov dioksid (SO₂) ali acetonitril (C₂H₃N). Ti dodatki izboljÅĄajo termodinamične lastnosti delovne tekočine, kar omogoča učinkovitejÅĄe delovanje sistema v različnih pogojih. Raziskovalna skupina je pri ocenjevanju teh meÅĄanic uporabila napredne tehnike modeliranja, s čimer je zagotovila natančne napovedi njihovega delovanja.

Optimizacija v tem kontekstu se osredotoča na dva glavna cilja: čim večji toplotni izkoristek (količina sončne energije, pretvorjene v električno energijo) in izboljÅĄanje specifičnega dela (energija, proizvedena na enoto delovne tekočine). S temi izboljÅĄavami se zmanjÅĄata velikost in cena sestavnih delov sistema, kot so energetski bloki in hranilniki toplotne energije (TES), zaradi česar so sistemi CSP bolj ekonomsko upravičeni.

Ta inovativni pristop je velik obet za prihodnost obnovljive energije. Z obravnavo tehničnih in finančnih izzivov ÅĄtudija odpira vrata sistemom CSP, ki bodo imeli večjo vlogo pri globalnem prehodu na čistejÅĄo energijo. Ta raziskava s svojo prilagodljivo metodologijo, ki lahko vključuje nove materiale in zasnove, postavlja temelje za nadaljnji napredek na področju tehnologije sončne energije.
Read publication

Authors: Balkan Mutlu, Kumar Patchigolla, Dhinesh Thanganadar

DOI: https://doi.org/10.1115/GT2024-124083

Predhodna karakterizacija demonstracijskega obrata za projekt razsoljevanja: Oblikovanje in obratovalna sposobnost zunaj projekta

Predhodna karakterizacija demonstracijskega obrata za projekt razsoljevanja: Oblikovanje in obratovalna sposobnost zunaj projekta

by | 5. september 2024 | Milestones, Publications, Results - Pilot plant preparation

Projekt DESOLINATION, svetilnik inovacij na področju obnovljivih virov energije, je s predhodno analizo delovanja predstavitvenega obrata naredil velik korak naprej.

Nedavno predstavljen na ASME Turbo Expo 2024, to delo zdruÅūuje strokovno znanje in izkuÅĄnje TEMISth, UNIBS (Univerza v Brescii), and Politecnico di Milano (POLIMI) da bi raziskali potencial novega energetskega cikla, ki je zasnovan za trajnost in učinkovitost.

Read publication
V čem je ta demonstracijski obrat edinstven?

Ta demonstracijska naprava deluje z preprost rekuperativni transkritični energetski cikel, sistem, ki postavlja nove standarde na področju pretvorbe energije. Tukaj je opisano, po čem izstopa:

  • Inovativna delovna tekočina: Namesto običajnih tekočin obrat uporablja meÅĄanico CO₂ in SO₂, ki je bil izbran zaradi svojih edinstvenih termodinamičnih lastnosti.
  • Prilagojeno na teÅūke razmere: Zasnovan tako, da uspeva v okoljih z visoko sončno sevanje and poviÅĄane temperature okolja, ta zračno hlajeni sistem odraÅūa resnične izzive, s katerimi se soočajo Koncentrirana sončna energija (CSP) rastline.
Glavne značilnosti cikla
  • Zmogljiv, a kompakten: Osrednji del sistema je aksialna turbina s pretokom 0,2 mÂģ/s, ki omogoča izhodno moč 1,8 MWel.
  • Izmenjevalniki toplote naslednje generacije: Opremljen z rekuperatorji in toplotni izmenjevalniki z gyroidno strukturo, te komponente povečujejo toplotni prenos in hkrati zmanjÅĄujejo porabo materiala.
  • Natančnost modeliranja: Napredne simulacije v programu MATLAB, dopolnjene z rezultati računalniÅĄke dinamike tekočin (CFD), zagotavljajo, da je sistem optimiziran tako za projektne kot tudi neprojektne pogoje.
Kako učinkovit je?

Učinkovitost je ključnega pomena za sisteme obnovljivih virov energije in demonstracijski obrat DESOLINATION ne razočara. Z delovanjem v način drsnega tlaka, cikel dosega impresivno učinkovitost več kot 30%, tudi pri delni obremenitvi.

Prilagajanje spreminjajočim se temperaturam

Ena od izjemnih lastnosti tega sistema je njegova zmoÅūnost prilagajanja različnim okoliÅĄkim pogojem:

  • Na spletni strani visoke temperature okolja (nad 30 °C), cikel deluje brezhibno zaradi ventilatorjev kondenzatorja s fiksno hitrostjo.
  • Na spletni strani niÅūje temperature (pribliÅūno 10 °C), je mogoče hitrost zraka prilagoditi, da se zagotovi optimalno delovanje.
Ravnanje z inventarjem sistema

Študija obravnava tudi cevovodni sistem elektrarne in razkriva, da delovanje kondenzatorja močno vpliva na skupno zalogo tekočine. Prilagoditve zaloge tekočine do 300 kg so potrebni za ohranjanje stabilnosti pri preklapljanju med različnimi temperaturnimi pogoji.

Ta raziskava predstavlja pomemben mejnik v poslanstvu projekta DESOLINATION za razvoj sistemov obnovljivih virov energije, ki niso le učinkoviti, temveč tudi prilagodljivi različnim razmeram v resničnem svetu. S premostitvijo vrzeli med inovativno zasnovo in praktično uporabo je demonstracijska elektrarna vpogled v prihodnost čiste in trajnostne proizvodnje energije.
Read publication

Authors: Ettore Morosini, Marco Astolfi, Michele Doninelli, Paolo Iora, Damien Serret, Jean-Michel Hugo and Giampaolo Manzolini.

DOI: https://doi.org/10.1115/GT2024-127246

Experimental study on coalescer efficiency for liquid-liquid separation

Experimental study on coalescer efficiency for liquid-liquid separation

by | Jul 8, 2024 | Publications, Results - Draw solution

The global community acknowledges water demand and accessibility as major challenges impacting human well-being. Forward Osmosis (FO) desalination coupled with concentrate solar power might represent a promising solution to combine water production with renewable sources. This work assesses the performance of a liquid-liquid separator (coalescer), an important component of the FO process, when using a polymeric thermo-responsive draw agent (PAGB2000). Experimental characterization of the coalescer is carried out for different regeneration temperatures (from 50 to 80 °C), residence time, draw concentration (from 0.30 to 0.60) and metal meshes. The separation efficiency of the coalescer can be as high as 95% for high residence time and regeneration temperatures (> 70 °C). Eventually, an analytical expression of the coalescer efficiency as function of the main operating parameters is proposed both to support desalination plant design and to enable understanding its applicability beyond its original context.

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117840

Read publication

Authors:

Igor Matteo Carraretto, Davide Scapinello, Riccardo Bellini, Riccardo Simonetti, Luca Molinaroli, Luigi Pietro Maria Colombo, Giampaolo Manzolini – Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano, Via Lambruschini 4, Milano 20156, Italy

Experimental Isochoric Apparatus for Bubble Points Determination: Application to CO2 Binary Mixtures as Advanced Working Fluids

Experimental Isochoric Apparatus for Bubble Points Determination: Application to CO2 Binary Mixtures as Advanced Working Fluids

by | Jun 21, 2024 | Publications, Results - CO2 Mixtures in thermodynamic cycles

Carbon dioxide binarFIGy mixtures are increasingly considered as working fluids in transcritical power cycles, due to the capability to perform liquid-phase compression even at high environmental temperatures. However, a robust thermodynamic model is essential for optimal and reliable design conditions. It is widely recognized that fine-tuning the equation of state with experimental vapor-liquid equilibrium data of the mixture significantly enhances its reliability.

In this work, a new apparatus dedicated to vapour-liquid equilibrium measurements of mixtures is presented. The proposed method consists of a constant-volume system, where bubble points are identified from the divergence of slope of the isochoric lines between the two-phase and liquid regions, in the temperature-pressure plane. The temperature and pressure limits of the apparatus are 503 K and 25 MPa. Bubble points of CO2 binary mixtures with hexafluorobenzene (C6F6) and n-pentane (C5H12) have been measured and compared with previous literature data for validation purposes. Then, the CO2 mixture with octafluorocyclobutane (c-C4F8) is experimentally studied, addressing a literature gap in bubble point data.

The data are used to calibrate the thermodynamic model, leading to affordable design conditions of the power cycle compared to the non-optimized thermodynamics scenario, in a concentrated solar power tower plant.

 

https://doi.org/10.1016/j.ijft.2024.100742

Read publication

Authors:

  • M. Doninelli, G. Di Marcoberardino, C.M Invernizzi and P. Iora – Università degli Studi di Brescia, Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Industriale, via Branze, 38, 25123, Brescia, Italy

Commercial thermo-responsive polyalkylene glycols as draw agents in forward osmosis

Commercial thermo-responsive polyalkylene glycols as draw agents in forward osmosis

by | Maj 24, 2024 | Publications, Results - Draw solution

Forward osmosis (FO) is a promising technology for efficient water reclamation at low operating costs. It has shown potential in producing fresh water from seawater; however, the regeneration of the diluted draw solution (DS) still holds back further development. Thermo-responsive polymers, especially polyalkylene glycol (PAG) based copolymers with hydrophilic ethylene oxide and hydrophobic propylene oxide units, have shown suitability as DSs in FO using low-temperature waste heat to regenerate the DS. In this study, we explored five commercially available copolymers: PluronicÂŪ PE 6400, PluronicÂŪ L-35, PluronicÂŪ RPE 1740, UnilubeÂŪ 50 MB-26, and PolycerinÂŪ 55GI-2601 as DSs in a laboratory FO setup, with DI water as the feed solution (FS). The water
flux and reverse solute flux varied from 1.5 to 2.0 L⋅m􀀀 2⋅h􀀀 1 and from 0.04 to 0.4 g⋅m􀀀 2⋅h􀀀 1, respectively.

Furthermore, all polymer solutions showed the ability to be recovered and reused using temperatures below 100â—ĶC. Therefore, the tested PAGs turned out to be promising as draw solutions for FO systems that utilize low-grade waste heat. The re-usage in FO was shown for regenerated PluronicÂŪ L-35 through a three-step experiment where its recovery was 91.1 %, 93.1 %, and 91.9 % for each FO cycle, respectively.

Keywords: Forward osmosis, Draw solution, Osmotic pressure, Polyalkylene glycols, Lower critical, solution temperature, Reuse of polymer.

Authors: Irena Petrinic, Natalija Jancic, Ross D. Jansen van Vuuren, and Hermina Buksek.

Read the publication
Download the publication