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Simulation of a Safe Start-Up Maneuver for a Brayton Heat Pump

Oehler, Johannes und Tran, A. Phong und Stathopoulos, Panagiotis (2022) Simulation of a Safe Start-Up Maneuver for a Brayton Heat Pump. In: ASME Turbo Expo 2022: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, GT 2022. ASME 2022, 2022-06-13 - 2022-06-17, Rotterdam, Niederlande. doi: 10.1115/GT2022-79399. ISBN 978-079188612-0.

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2MB

Offizielle URL: https://asme.pinetec.com/gt2022/data/pdfs/trk-6/GT2022-79399.pdf

Kurzfassung

With about 50 % of the final energy used as heat in Europe, reducing fossil fuel consumption in this sector is crucial to achieve significant greenhouse gas emission reduction. Heat pumps using renewable electricity can potentially cover the heat demand below 500 °C. The DLR’s prototype CoBra (Cottbus Brayton cycle heat pump) aims at demonstrating the feasibility of a turbomachine driven closed-loop Brayton cycle heat pump with a thermal output of 200 kW and a heat sink temperature of up to 350 °C. In order to achieve safe operation, transient operation of the heat pump, such as start-up, must be analyzed. Temperature gradients must be kept below a limit, defined mostly by thermal stresses in the heat exchangers. At the same time, compressor surge and resonant frequencies of rotating components must be avoided during transient maneuvers of the system. In the current work, the heat pump prototype has been modeled with Modelica based on the component geometries and with the use of compressor and turbine maps obtained from 3D CFD simulations. For the start-up of the prototype, a suitable control strategy is developed and analyzed in order to minimize operational risks. Control parameters are compressor shaft speed, secondary mass flows and the turbine bypass. It is shown that a turbine bypass is necessary to avoid compressor surge during start-up. The conflicting requirements of crossing natural frequencies quickly while ensuring tolerable temperature gradients in the heat exchangers can be met. The results also show that pressure rise delay through volume dynamics is in the order of seconds. Slow transient effects in the evolution of fluid and heat exchanger temperatures arise from the thermal inertia of the heat exchangers.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/188724/
Dokumentart:Konferenzbeitrag (Vortrag)
Titel:Simulation of a Safe Start-Up Maneuver for a Brayton Heat Pump
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Oehler, JohannesJohannes.Oehler (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-6226-5328NICHT SPEZIFIZIERT
Tran, A. PhongAnh.Tran (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-3365-5500NICHT SPEZIFIZIERT
Stathopoulos, PanagiotisPanagiotis.Stathopoulos (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:16 Juni 2022
Erschienen in:ASME Turbo Expo 2022: Turbomachinery Technical Conference and Exposition, GT 2022
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Nein
DOI:10.1115/GT2022-79399
ISBN:978-079188612-0
Status:veröffentlicht
Stichwörter:high temperature heat pump, reverse Brayton cycle, process heat, Modelica, transient process simulation
Veranstaltungstitel:ASME 2022
Veranstaltungsort:Rotterdam, Niederlande
Veranstaltungsart:internationale Konferenz
Veranstaltungsbeginn:13 Juni 2022
Veranstaltungsende:17 Juni 2022
Veranstalter :American Society of Mechanical Engineers
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Thermische Hochtemperaturtechnologien
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Dekarbonisierte Industrieprozesse
Standort: Cottbus
Institute & Einrichtungen:Institut für CO2-arme Industrieprozesse > Hochtemperaturwärmepumpen
Institut für CO2-arme Industrieprozesse > Simulation und Virtuelles Design
Hinterlegt von: Oehler, Johannes
Hinterlegt am:24 Nov 2022 10:27
Letzte Änderung:24 Apr 2024 20:50

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