Entwicklung kompakter sCO₂ Wärmeübertrager

Diffusionsgeschweißte Wärmeübertrager (Printed Circuit Heat Exchanger-PCHE) sind aufgrund der sehr kleinen Kanäle eine kompakte Lösung für Rekuperatoren und Kühler im sCO₂ Kraftkreislauf (hydraulische Durchmesser von bis zu 1 mm) und erreichen gleichzeitig einen extrem hohen Widerstand für die vorherrschende Hochdruckumgebung. Da bis zu 90 % der sCO₂-Anlagenkosten durch die Wärmeübertrager direkt oder indirekt ausgelöst werden, ist die Optimierung des Designs von großer Bedeutung. Weiterhin existieren Herausforderungen für die Integration der PCHEs bei hohen Temperaturen (> 600 °C). In der Literatur werden vorwiegend Designs mit Strömungspassagen mit geraden Kanälen, Zickzack (wellenförmige) Kanälen, Kanälen mit S-förmigen Rippen und Kanäle mit tragflächenförmigen Rippen untersucht. Allerdings sind PCHE aufgrund von 2-dimensionalen Strömungspfaden limitiert, da die Kanäle in die Platten eingeätzt werden. Hierbei bieten additiv gefertigte anstelle von diffusionsgeschweißten Platten die Möglichkeit die technische Perspektive zu erweitern und 3-dimensionale Strömungsstrukturen zu erzeugen. Bei sCO₂-Kühlern stellt die Wärmeleitung häufig die Limitierung der Performance dar. Hierbei könnten additiv gefertigte Wärmeübertrager eingesetzt werden, welche Metallpulver verwenden, das sich aus Materialen mit hohen Festigkeitskennwerten sowie hoher Wärmeleitfähigkeit zusammensetzen. Um die Wettbewerbsfähigkeit dieser neuartigen Hochleistungswärmeübertrager zu erhöhen, werden Fragestellungen bezüglich des Designs, der Fertigung und des Materials adressiert sowie die erzeugten Prototypen experimentell erprobt.

Publikationen

• Guille-Bourdas, A. F.; Bangalore Mohankumar, M.; Unger, S.; Hampel, U.
  Numerical modelling of a primary heat exchanger in sCO₂ power cycles for thermal energy storage systems
  Journal of Engineering for Gas Turbines and Power - Transactions of the ASME 147(2025)6, 061025, DOI: 10.1115/1.4066892

Förderung

Design und Betriebsverhalten von Energieanlagen mit überkritischem Kohlenstoffdioxid (sCO₂) als Arbeitsfluid - ESCO (BMWK, 03EE5157H). Die Verantwortung für den Inhalt liegt beim Autor.