Versuchsstand für superkritischen CO2-Kreislauf

• Subject Area: Materials Science
• Term: Funded in 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 246464070

• Final Report Year: 2019

Final Report Abstract

Überkritisches Kohlendioxid (engl. supercritical CO2 - sCO2) hat besonders gute Wärmeübertragungseigenschaften in der Nähe des kritischen Punktes (ca. 73,8 bar und 31°C). Durch eine starke Erhöhung der spezifischen Wärmekapazität kann sehr viel Wärme übertragen werden, ohne dass sich die Temperaturen groß ändern. In der Energietechnik kann man sich diese Eigenschaft beispielsweise bei der Konstruktion von Wärmeübertragern zu Nutze machen. Ein anderes Beispiel ist die Joule Kreisläufe (Kreisläufe zur Bereitstellung von Energie, bestehend aus Kompressor, Wärmeübertragern und Turbine), die überkritisches CO2 als Arbeitsmedium nutzen. Diese können viel kompakter gebaut werden als herkömmliche Dampfkraftwerke und ermöglichen durch diese kompakte Bauweise eine bessere Lastfolge im fluktuierenden Stromnetz. In der SCARLETT Anlage (Supercriticial CArbon dioxide Loop at IKE Universtity of StuTTgart) wird Grundlagenforschung zum Wärmeübergang an sCO2 und dem dabei auftretenden Druckverlust durchgeführt. Die gewonnenen Daten dienen zur Validierung von numerischen Simulationen auf Hochleistungsrechnern. Der Versuchskreislauf ist modular aufgebaut und erlaubt den einfachen Austausch von Testständen ohne größere Modifikationen der Anlage. So können auf die Betriebsparameter der SCARLETT-Versuchsanlage skalierte Komponenten eines Joule-Kreislaufs getestet werden. Der Kreislauf selbst besteht aus zwei Vorratsbehältern, einem Verdampfer und einem Überhitzer, einem Hubkolbenverdichter und einer Konditionierung, in der das CO2 weiter erhitzt oder gekühlt werden kann. Je nach Anforderungen des modularen Teststands können so definierte Randbedingungen eingestellt werden. Hinter der Teststrecke wird das CO2 gekühlt, entspannt und in die Vorratsbehälter zurückgefördert.

Publications

• "Direct numerical simulation of strongly heated air flow in a vertical pipe", International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 101, October 2016, Pages 1163-1176
  X. Chu, E. Laurien, D. McEligot
  
• "Flow stratification in the horizontal pipe with heated supercritical CO2", The Journal of Supercritical Fluids 116, 172-189 (2016)
  X. Chu, E. Laurien, D.M. McEligot
  
• "Investigation of Convective Heat Transfer to Supercritical Carbon Dioxide with Direct Numerical Simulation", High Performance Computing in Science and Engineering '15, Springer International Publishing, 315-331 (2016)
  Xu Chu, E. Laurien
  
• "Power cycle calculations and preliminary design of a compact heat exchanger of a scaled down sCO2-HeRosystem for a PWR glass model at KSG/GfS", 1st European Seminar on Supercritical CO2 (sCO2) Power Systems, 29-30 September 2016, Vienna, Austria
  M. Strätz, R. Mertz, J. Starflinger
  
• Heat transfer analysis at supercritical pressure using two layer theory, The Journal of Supercritical Fluids, Volume 109, March 2016, Pages 80-86
  S. Pandey, E. Laurien
  
• "Cycle calculations of a small-scale heat removal system with supercritical CO2 as working fluid", International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-25), Shanghai, China, July 2-6, 2017
  M. Strätz, J. Starflinger, R. Mertz, M. Seewald, S. Schuster, D. Brillert
  
• A modified convective heat transfer model for heated pipe flow of supercritical carbon dioxide, Int. J. Thermal Sciences 117, 227-238 (2017)
  S. Pandey, E. Laurien, and X. Chu
  
• Investigation of in-tube cooling of carbon dioxide at supercritical pressure by means of direct numerical simulation, Int. Journal of Heat and Mass Transfer 114, 944 – 957 (2017)
  S. Pandey, X. Chu and E. Laurien
  
• “Basic Experimental Investigation of a Compact Heat Exchanger using supercritical CO2 as working fluid for Integration into a Decay Heat Removal System”, International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-25), July 2-6, 2017, Shanghai, China
  W. Flaig, R. Mertz, J. Starflinger
  
• „Raising Nuclear Reactor Safety to a Higher Level - The Supercritical CO2 Heat Removal System - sCO2-HeRo“ Proceedings of the 26th International Conference Nuclear Energy for New Europe (NENE 2017), Bled, Slovenia, September 11-14, 2017
  J. Starflinger, D. Brillert, O. Frybort, P. Hajek, M. Rohde, T. Freutel