Experimentell och numerisk studie av superkritisk CO₂-kylare: Ett DESOLINATION-bidrag som delades ut vid den 6:e europeiska sCO₂-konferensen

Experimentell och numerisk studie av superkritisk CO₂-kylare: Ett DESOLINATION-bidrag som delades ut vid den 6:e europeiska sCO₂-konferensen

av | 14 maj 2025 | Article, Publications

Som en del av Horizon 2020-projektet DESOLINATION har en ny studie med titeln “Experimentell och numerisk studie av superkritisk CO₂-kylare” presenterades vid 6th European Conference on Supercritical CO₂ (sCO₂) for Energy Systems, som hölls den 9-11 april 2025 i Delft, Nederländerna.

Forskningen, som leddes av LUT-universitetet i samarbete med TEMISTH, mottog Pris för bästa artikel på konferensen som ett erkännande av dess vetenskapliga kvalitet och relevans.

Read publication
Undersökning av PCHE-prestanda i superkritiska CO₂-kraftcykler

Studien fokuserar på termohydraulisk prestanda av en värmeväxlare med tryckt krets (PCHE) arbetar med superkritisk koldioxid (sCO₂) - en arbetsvätska som utgör kärnan i DESOLINATIONs innovativa kraftblock. PCHE är en kompakt och högeffektiv lösning som lämpar sig för de extrema förhållanden som råder i sCO₂-baserade energisystem, t.ex. de som är integrerade i koncentrerad solenergi (CSP) och avsaltningsteknik.

Genom att använda en kombination av experimentell testning and beräkningsbaserad strömningsdynamik (CFD), utvärderade teamet värmeöverförings- och tryckfallsegenskaperna hos sCO₂ som flödar genom PCHE-mikrokanaler. Studien inriktades på pseudokritisk region, där CO₂ uppvisar snabba variationer i egenskaper som förbättrar värmeöverföringen men försvårar prediktiv modellering.

Stödja DESOLINATIONs målsättningar

Detta arbete bidrar direkt till DESOLINATIONs mål att utveckla en effektivt, soldrivet avsaltningssystem genom att förbättra prestandaförutsägelser och design av nyckelkomponenter i sCO₂-kraftcykeln. I synnerhet tillhandahåller den validerade verktyg och insikter som är nödvändiga för att integrera högeffektiva värmeväxlare till projektets framtida demonstrationsanläggning.

Read publication

Authors: Giuseppe Petruccelli, Teemu Turunen-Saaresti, Damien Serret, Aki Grönman, Aurélien Conrozier och Amir Momeni Dolatabadi.

DOI: 10.17185/duepublico/83320

Viktiga resultat
  • Experimentella data samlades in under ett brett spektrum av driftsförhållanden vid LUT Universitys transkritiska CO₂-testanläggning, vilket ger ett värdefullt riktmärke för validering av numeriska modeller.
  • The CFD-simuleringar, som omfattar verkligt gasbeteende och turbulensmodellen SST k-ω, visade god överensstämmelse med de uppmätta tryckfallen och utloppstemperaturerna.
  • A ny korrelation för friktionsfaktor härleddes från de experimentella resultaten. Den tar hänsyn till ytjämnhet och uppnådde en prediktionsnoggrannhet inom ±10% av de uppmätta värdena - ett viktigt framsteg jämfört med befintliga korrelationer.
  • Undersökningen visade också att vanligt förekommande korrelationer för värmeöverföring tenderar att undervärdera prestanda i sCO₂-mikrokanalflöden med högt Reynolds-tal, vilket understryker behovet av mer skräddarsydda prediktiva modeller.
Erkännande av konferens

Den 6:e europeiska sCO₂-konferensen samlade över 100 experter från den akademiska världen och industrin för att diskutera de senaste innovationerna inom sCO₂-teknik. Förutom de tekniska sessionerna uppmärksammades även DESOLINATION under Keynote på fredag morgon av Dr Gioele Di Marcoberardino (UNIBS), som presenterade projektets övergripande mål och framsteg hittills.

🏆 Tidningen mottog Pris för bästa artikel på konferensen, som ett erkännande av forskningens kvalitet och relevans för den internationella sCO₂-forsknings- och ingenjörsgemenskapen. Detta erkännande belyser DESOLINATIONs bidrag till att öka förståelsen på komponentnivå, vilket är avgörande för utvecklingen av integrerade soldrivna avsaltningssystem.

🔬 DESOLINATION-konsortiet gratulerar författarna Giuseppe Petruccelli, Teemu Turunen-Saaresti, Damien Serret, Aki Grönman, Aurélien Conrozier och Amir Momeni Dolatabadi - för detta välförtjänta erkännande och för deras värdefulla bidrag till framtiden för hållbara energi- och vattensystem.

Simultan designoptimering av binära co2-blandningsbaserade kraftcykler för tillämpningar med koncentrerad solenergi

Simultan designoptimering av binära co2-blandningsbaserade kraftcykler för tillämpningar med koncentrerad solenergi

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

I strävan efter renare och mer effektiv energi har koncentrerad solenergi (CSP) seglat upp som en lovande utmanare. Men deras potential har begränsats av behovet av innovativa och kostnadseffektiva lösningar för att omvandla solvärme till elektricitet.

Vi är glada över att kunna presentera en banbrytande publikation av Teesside University, en av våra partners, presenterade vid ASME (The American Society of Mechanical Engineers) Turbo Expo 2024 (Teknisk konferens och utställning om turbomaskiner).

Detta arbete presenterar ett innovativt tillvägagångssätt för att optimera kraftcykler för CSP-system, vilket leder till framsteg inom effektivitet och hållbarhet.

I en ny studie presenteras ett innovativt tillvägagångssätt för att förbättra kraftcyklerna för koncentrerad solenergi (CSP), en nyckelteknik inom förnybar energi. Forskningen fokuserar på att optimera prestandan hos system som använder CO₂-baserade blandningar som arbetsvätskor, vilket ger betydande framsteg när det gäller effektivitet, kostnadseffektivitet och anpassningsförmåga till olika driftsförhållanden.

Read publication

Traditionellt sett förlitar sig CSP-system på att omvandla solvärme till elektricitet genom kraftcykler. Den här studien förbättrar den processen genom att utveckla en simultan optimeringsstrategi. Den tar hänsyn till kraftcykelns utformning, valet av kemiska tillsatser (dopningsmedel) och den specifika sammansättningen av de CO₂-baserade arbetsvätskorna. Genom att analysera dessa faktorer tillsammans strävar forskarna efter att maximera systemeffektiviteten och samtidigt minska kostnaderna.

Studien testar dessa innovationer under realistiska scenarier, inklusive två driftstemperaturområden: 550°C, vilket är typiskt för dagens CSP-system, och 700°C, vilket är högre för avancerade konstruktioner. Studien tar också hänsyn till omgivningstemperaturer på 30°C, 35°C och 40°C, vilket återspeglar de olika miljöer där CSP-system används.

Ett av de viktigaste genombrotten är användningen av binära blandningar av CO₂ i kombination med kemiska dopningsmedel som svaveldioxid (SO₂) eller acetonitril (C₂H₃N). Dessa tillsatser förbättrar arbetsvätskans termodynamiska egenskaper, vilket gör att systemet kan prestera mer effektivt under varierande förhållanden. Forskarteamet använde avancerade modelleringstekniker för att utvärdera dessa blandningar och säkerställa exakta förutsägelser av deras prestanda.

Optimering i detta sammanhang fokuserar på två huvudmål: att maximera den termiska verkningsgraden (mängden solenergi som omvandlas till elektricitet) och förbättra det specifika arbetet (den energi som produceras per enhet arbetsvätska). Dessa förbättringar minskar storleken på och kostnaden för systemkomponenter, som kraftblock och termisk energilagring (TES), vilket gör CSP-system mer ekonomiskt lönsamma.

Detta innovativa tillvägagångssätt är mycket lovande för framtiden inom förnybar energi. Genom att ta itu med tekniska och ekonomiska utmaningar öppnar studien dörren för att CSP-system ska kunna spela en större roll i den globala övergången till renare energi. Med sin flexibla metodik, som kan integrera nya material och konstruktioner, skapar denna forskning förutsättningar för fortsatta framsteg inom solenergitekniken.
Read publication

Authors: Balkan Mutlu, Kumar Patchigolla, Dhinesh Thanganadar

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

Preliminär karakterisering av demoanläggningen för avsaltningsprojektet: Design och drift utanför design

Preliminär karakterisering av demoanläggningen för avsaltningsprojektet: Design och drift utanför design

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

DESOLINATION-projektet, en ledstjärna för innovation inom förnybar energi, har tagit ett stort steg framåt med den preliminära prestandaanalysen av sin demonstrationsanläggning.

Nyligen avtäcktes på ASME Turbo Expo 2024, I detta arbete sammanförs expertisen från TEMISth, UNIBS (Universitetet i Brescia), and Politecnico di Milano (POLIMI) för att utforska potentialen i en ny kraftcykel som är byggd för hållbarhet och effektivitet.

Read publication
Vad gör denna Demo Plant unik?

Denna demoanläggning har en enkel rekuperativ transkritisk kraftcykel, ett system som sätter nya standarder för energiomvandling. Här är vad som gör att den sticker ut:

  • Innovativ arbetsvätska: Istället för konventionella vätskor använder anläggningen en blandning av CO₂ och SO₂, som valts ut på grund av sina unika termodynamiska egenskaper.
  • Anpassad till tuffa förhållanden: Utformad för att trivas i miljöer med hög solstrålning and förhöjda omgivningstemperaturer, speglar detta luftkylda system de verkliga utmaningar som Koncentrerad solkraft (CSP) växter.
Viktiga egenskaper hos cykeln
  • Kraftfull men ändå kompakt: I hjärtat av systemet finns en axialturbin som hanterar en flödeshastighet på 0,2 m³/s, vilket möjliggör en uteffekt på 1,8 MWel.
  • Nästa generations värmeväxlare: Utrustad med Rekuperatorer och värmeväxlare med gyroidstruktur, Dessa komponenter maximerar värmeöverföringen samtidigt som de minimerar materialanvändningen.
  • Modelleringsprecision: Avancerade simuleringar i MATLAB, kompletterade med CFD-resultat (Computational Fluid Dynamics), säkerställer att systemet är optimerat för både konstruktions- och icke-konstruktionsförhållanden.
Hur effektiv är den?

Effektivitet är nyckeln till system för förnybar energi, och demoanläggningen DESOLINATION gör ingen besviken. Genom att arbeta i en glidande tryckläge, uppnår cykeln en imponerande verkningsgrad på över 30%, även när den körs med partiell belastning.

Anpassning till förändrade temperaturer

En av de främsta egenskaperna hos detta system är dess förmåga att hantera varierande omgivningsförhållanden:

  • Vid höga omgivningstemperaturer (över 30°C) fungerar cykeln sömlöst tack vare kondensorfläktar med fast varvtal.
  • Vid lägre temperaturer (ca 10°C) kan lufthastigheten justeras för att säkerställa optimal drift.
Hantering av systemets inventarier

Studien går också in på anläggningens rörsystem och visar att det totala vätskeförrådet påverkas kraftigt av kondensorns drift. Justeringar i vätskelagringen på upp till 300 kg krävs för att bibehålla stabiliteten när man växlar mellan olika temperaturförhållanden.

Denna forskning utgör en viktig milstolpe i DESOLINATION-projektets uppdrag att utveckla förnybara energisystem som inte bara är effektiva utan också anpassningsbara till en mängd olika verkliga förhållanden. Genom att överbrygga klyftan mellan innovativ design och praktisk tillämpning ger demoanläggningen en glimt av framtiden för ren och hållbar kraftproduktion.
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

av | 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

av | 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

av | 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: Pluronic® PE 6400, Pluronic® L-35, Pluronic® RPE 1740, Unilube® 50 MB-26, and Polycerin® 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 100◦C. 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 Pluronic® 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