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Multistage Turbomachinery Optimization for HighTemperature Heat Pumps with the Reverse Rankine Cycle

Schaffrath, Robert und Stathopoulos, Panagiotis und Schmitz, Andreas und Nicke, Eberhard (2025) Multistage Turbomachinery Optimization for HighTemperature Heat Pumps with the Reverse Rankine Cycle. ASME Journal of Turbomachinery, 147 (11). American Society of Mechanical Engineers (ASME). doi: 10.1115/1.4068480. ISSN 0889-504X.

[img] PDF - Nur DLR-intern zugänglich - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
2MB

Offizielle URL: https://asmedigitalcollection.asme.org/turbomachinery/article/147/11/111003/1215377/Multistage-Turbomachinery-Optimization-for-High

Kurzfassung

The electrification of process heat generation will be a key to achieving carbon neutrality in the coming decades. One of the most promising approaches is to replace conventional heat supply systems with high-temperature heat pumps (HTHPs). A promising heat pump concept is based on the reverse Rankine cycle that uses water as its working fluid. By using turbomachinery for the compression process in this cycle, the performance of the HTHP can be increased compared to the volumetric displacement systems, like screw or piston compressors. Although the design of the compressor geometry can be done sequentially in relation to the HTHP cycle design, better results can be obtained by an approach that integrates turbomachinery and the thermodynamic cycle design. Against this background, an automated optimization method for a reverse Rankine HTHP with two radial turbo-compressors in series is presented. In contrast to the current state of the art, the presented novel optimization approach uses 3D computational fluid dynamics data to calculate the compressor’s performance. Furthermore, the integration of low-fidelity compressor specific reduced-order models are used to accelerate the gradient-free optimization process by a CO-Kriging surrogate model. The advantages of the novel approach are justified by comparing the numerical effort and the final values of the optimization objectives.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/214070/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Multistage Turbomachinery Optimization for HighTemperature Heat Pumps with the Reverse Rankine Cycle
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Schaffrath, RobertRobert.Schaffrath (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-8487-8299NICHT SPEZIFIZIERT
Stathopoulos, PanagiotisPanagiotis.Stathopoulos (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schmitz, AndreasAndreas.Schmitz (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Nicke, EberhardEberhard.Nicke (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:November 2025
Erschienen in:ASME Journal of Turbomachinery
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:147
DOI:10.1115/1.4068480
Herausgeber:
HerausgeberInstitution und/oder E-Mail-Adresse der HerausgeberHerausgeber-ORCID-iDORCID Put Code
Bogard, David G.dbogard (at) mail.utexas.eduNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Verlag:American Society of Mechanical Engineers (ASME)
ISSN:0889-504X
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Reverse Rankine cycle, turbomachinery optimization, centrifugal compressor, compressor
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: Zittau
Institute & Einrichtungen:Institut für CO2-arme Industrieprozesse
Institut für Antriebstechnik
Hinterlegt von: Schaffrath, Robert
Hinterlegt am:26 Mai 2025 10:53
Letzte Änderung:26 Mai 2025 10:53

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