Som en del av DESOLINATION-projektets pågående uppdrag att minska koldioxidutsläppen från avsaltningsprocessen har en viktig milstolpe uppnåtts vid LUT University: den experimentell validering av en 3D-utskriven heat exchanger. Detta genombrott visar att additiv tillverkning (även känt som 3D-printing) kan avsevärt förbättra prestandan hos värmeväxlare som används i superkritisk koldioxid (sCO2) Brayton-cykler, vilket banar väg för effektivare energisystem.

Nyligen nådde DESOLINATION-projektgruppen en viktig milstolpe genom att framgångsrikt validera sin experimentuppställning vid LUT-universitetet. Denna valideringsprocess omfattade flera viktiga steg:

1. Design: Teamet tog fram en ritning för den 3D-utskrivna värmeväxlaren och fokuserade på att optimera dess form och funktion.
2. Simulering: Med hjälp av verktyg som Beräkningsbaserad strömningsdynamik (CFD), simulerade teamet hur värmeväxlaren skulle fungera under verkliga förhållanden.
3. Additiv tillverkning: Värmeväxlaren har skrivits ut med hjälp av avancerad 3D-utskriftsteknik, vilket har möjliggjort en mer komplicerad och effektiv design.
4. Montering: De utskrivna delarna monterades sedan ihop till en fullt fungerande värmeväxlare.
5. Testning: Det sista steget var att testa värmeväxlaren för att säkerställa att den klarade de tryck och temperaturer som förväntas i Braytoncykeln med sCO2.

Det framgångsrika genomförandet av dessa steg visar att 3D-printade värmeväxlare kan fungera effektivt i miljöer med högt tryck och hög temperatur. Detta genombrott är ett viktigt steg mot att integrera dessa avancerade konstruktioner i verkliga system för koncentrerad solenergi (CSP).

Värmeväxlares roll vid avsaltning och energiproduktion

Värmeväxlare är avgörande i system som omvandlar värme till användbar energi. I DESOLINATION-projektet är de nyckelkomponenter i sCO2 Braytoncykeln, en termodynamisk process som använder värme för att generera elektricitet. När den kombineras med Koncentrerande solenergi (CSP)-som koncentrerar solenergi för att producera höga värmenivåer - erbjuder dessa system ett effektivare sätt att producera energi och samtidigt minska koldioxidutsläppen.

Att skapa värmeväxlare som klarar de extrema förhållanden som krävs för Brayton-cykler med sCO2 (temperaturer upp till 600°C och tryck på cirka 250 bar) innebär dock stora utmaningar. Det är därför additiv tillverkning kommer in.

I takt med att DESOLINATION går framåt kommer den fortsatta utvecklingen och testningen av 3D-printade värmeväxlare att spela en avgörande roll för att skapa mer hållbara och effektiva energisystem. För varje milstolpe kommer projektet närmare sin vision om en värld där avsaltning drivs av ren, förnybar energi. Genom att kombinera spjutspetstekniker som additiv tillverkning och avancerade termodynamiska processer banar DESOLINATION-projektet väg för en grönare och mer vattensäker framtid.

DESOLINATION-projektet, som finansieras av EU:s Horizon 2020-program, gör anmärkningsvärda framsteg i sitt uppdrag att minska koldioxidutsläppen från avsaltning. En av de mest spännande utvecklingarna kommer från vårt arbete med att optimera värmeväxlare för användning i superkritisk koldioxid (sCO2) Brayton-cykler. Dessa innovationer kan revolutionera hur vi genererar ström från förnybara energikällor som solenergi. Här är en närmare titt på hur Beräkningsbaserad strömningsdynamik (CFD) spelar en nyckelroll i detta arbete.

Att konstruera värmeväxlare som kan arbeta under dessa extrema förhållanden är ingen liten bedrift. För att säkerställa bästa möjliga design använder DESOLINATION Beräkningsbaserad strömningsdynamik (CFD)-ett kraftfullt datorverktyg som modellerar hur vätskor flödar och hur värme överförs i komplexa system.

CFD gör det möjligt för projektteamet (i synnerhet TEMISTh) för att simulera värmeväxlarens prestanda i en virtuell miljö. Detta inkluderar analys av nyckelfaktorer som t.ex:

• Termisk verkningsgrad: Hur väl växlaren överför värme från en vätska till en annan.
• Tryckfall: Den tryckminskning som uppstår när vätskan flödar genom värmeväxlaren, vilket kan påverka systemets totala prestanda.
• Termomekaniska begränsningar: De strukturella påfrestningar som växlaren måste motstå vid höga temperaturer och tryck.

Med hjälp av CFD kan teamet hitta den optimala balansen mellan termisk effektivitet och tryckfall, vilket säkerställer att värmeväxlaren presterar bra samtidigt som den är hållbar.

Testning i verkligheten vid King Saud University

Efter att ha finjusterat designen med hjälp av CFD är nästa steg tester i verkligheten. Teamet planerar att köra dessa värmeväxlare i 4.000 timmar vid en pilotanläggning i King Saud University. Dessa tester kommer att föra projektet närmare Teknisk beredskapsnivå (TRL) 7, vilket innebär att tekniken kommer att vara redo att användas i verkliga system.

CFD:s roll: Optimering av värmeväxlarens prestanda

De preliminära resultaten från dessa simuleringar är lovande. Teamet tror att deras konstruktioner kan flytta fram gränserna för vad som är möjligt för värmeväxlare i Brayton-cykler med sCO2. Om de lyckas kommer dessa innovationer att bana väg för mer effektiva Koncentrerande solenergi (CSP) där solenergin koncentreras för att generera höga nivåer av värme, som sedan kan användas för att producera elektricitet.

CFD: Mer än bara ett verktyg för ingenjörer

Utöver sina tekniska möjligheter har CFD också visat sig vara ett kraftfullt kommunikationsverktyg. De simuleringar som skapas ger visuellt engagerande representationer av hur värme och vätskor rör sig genom systemet, vilket gör det lättare att förklara vetenskapen bakom projektet för en bredare publik.

Genom att använda CFD för att utforma och optimera dessa banbrytande värmeväxlare tar DESOLINATION-projektet ett stort steg mot mer hållbara och effektiva energisystem, vilket för oss närmare en framtid där avsaltning kan drivas av ren, förnybar energi.