Supercritical CO2 (sCO2) power cycles represent a promising technology for sustainable energy generation due to their potential for high efficiency and reduced emissions. However, the large nonlinear variations in fluid properties near the critical point significantly impact the fluid behaviour in this region. Experimental characterisation of sCO2 is crucial for developing these cycles. In order to address these challenges, a closed-loop sCO2 experimental facility was designed and constructed to characterise sCO2 behaviour in supercritical and two-phase regions. A dynamic model of the experimental loop was developed to predict its behaviour under varying operating conditions, including the use of CO2-SO2 mixtures, providing a valuable tool for studying loop performance. This dissertation investigates key challenges associated with sCO2 flows, particularly the phenomenon of non-equilibrium condensation and shock wave interactions in supersonic two-phase flows. A novel advanced numerical approach for simulating non-equilibrium condensation in sCO2 flows was developed. This approach includes models that account for real gas effects at high pressures encountered in sCO2 cycles. Furthermore, the research investigates shock wave behaviour in two-phase CO2 flows within nozzles. Three-dimensional CFD simulations analyse the interaction between shock waves and the boundary layer, along with the impact of shock waves on droplet evaporation rates. Finally, the dissertation explores moment-based methods for simulating polydispersed droplet size distributions in CO2 condensing flows. These methods are integrated into the existing phase-change model and applied to simulations of nozzles and turbine cascades. The findings of this research contribute significantly to the development and optimisation of sCO2 power cycles by providing valuable insights into the behaviour of two-phase CO2 flows. The numerical models presented can be used for the design and analysis of critical components within sCO2 cycles, ultimately leading to improved efficiency and performance.

I cicli a CO2 supercritica (sCO2) rappresentano una tecnologia promettente per la generazione di energia sostenibile grazie al loro potenziale di alta efficienza e ridotte emissioni. Tuttavia, le significative variazioni non lineari delle proprietà del fluido vicino al punto critico influenzano notevolmente il comportamento del fluido in questa regione. La caratterizzazione sperimentale della sCO2 è cruciale per lo sviluppo di questi cicli. Per affrontare queste sfide, è stata progettata e costruita una struttura sperimentale a circuito chiuso per caratterizzare il comportamento della sCO2 nelle regioni supercritica e bifasica. È stato sviluppato un modello dinamico del circuito sperimentale per prevederne il comportamento in diverse condizioni operative, incluso l'uso di miscele di CO2-SO2, fornendo uno strumento prezioso per lo studio delle prestazioni del circuito. Questa tesi indaga le sfide principali associate ai flussi di sCO2, in particolare il fenomeno della condensazione fuori equilibrio e le interazioni delle onde d’urto in flussi supersonici bifasici. È stato sviluppato un nuovo approccio numerico avanzato per simulare la condensazione in non-equilibrio nei flussi di sCO2. Questo approccio include modelli che tengono conto degli effetti di gas reale alle alte pressioni tipiche dei cicli sCO2. Inoltre, la ricerca analizza il comportamento delle onde d’urto nei flussi bifasici di CO2 all'interno degli ugelli. Simulazioni CFD tridimensionali esaminano l'interazione tra onde d’urto e strato limite, nonché l'impatto delle onde d’urto sui tassi di evaporazione delle gocce. Infine, la dissertazione esplora metodi basati sui momenti per simulare la distribuzione statistica delle dimensioni delle gocce nei flussi di CO2 in condensazione. Questi metodi sono integrati nel modello di cambio di fase esistente e applicati a simulazioni di ugelli e di schiere di turbine. I risultati di questa ricerca contribuiscono in modo significativo allo sviluppo e all’ottimizzazione dei cicli a sCO2, fornendo preziose informazioni sul comportamento dei flussi bifasici di CO2. I modelli numerici presentati possono essere utilizzati per la progettazione e l'analisi dei componenti critici nei cicli sCO2, portando infine a una maggiore efficienza e prestazioni migliorate.

Development of a closed-loop sCO2 experimental cycle and modelling methods for CO2 condensing flows

Petruccelli, Giuseppe
2024/2025

Abstract

Supercritical CO2 (sCO2) power cycles represent a promising technology for sustainable energy generation due to their potential for high efficiency and reduced emissions. However, the large nonlinear variations in fluid properties near the critical point significantly impact the fluid behaviour in this region. Experimental characterisation of sCO2 is crucial for developing these cycles. In order to address these challenges, a closed-loop sCO2 experimental facility was designed and constructed to characterise sCO2 behaviour in supercritical and two-phase regions. A dynamic model of the experimental loop was developed to predict its behaviour under varying operating conditions, including the use of CO2-SO2 mixtures, providing a valuable tool for studying loop performance. This dissertation investigates key challenges associated with sCO2 flows, particularly the phenomenon of non-equilibrium condensation and shock wave interactions in supersonic two-phase flows. A novel advanced numerical approach for simulating non-equilibrium condensation in sCO2 flows was developed. This approach includes models that account for real gas effects at high pressures encountered in sCO2 cycles. Furthermore, the research investigates shock wave behaviour in two-phase CO2 flows within nozzles. Three-dimensional CFD simulations analyse the interaction between shock waves and the boundary layer, along with the impact of shock waves on droplet evaporation rates. Finally, the dissertation explores moment-based methods for simulating polydispersed droplet size distributions in CO2 condensing flows. These methods are integrated into the existing phase-change model and applied to simulations of nozzles and turbine cascades. The findings of this research contribute significantly to the development and optimisation of sCO2 power cycles by providing valuable insights into the behaviour of two-phase CO2 flows. The numerical models presented can be used for the design and analysis of critical components within sCO2 cycles, ultimately leading to improved efficiency and performance.
MASARATI, PIERANGELO
LAVAGNA, MICHÈLE ROBERTA
TURUNEN-SAARESTI, TEEMU EERIK
Grönman, Aki
Pecnik, Rene
White, Martin
28-nov-2024
Development of a closed-loop sCO2 experimental cycle and modelling methods for CO2 condensing flows
I cicli a CO2 supercritica (sCO2) rappresentano una tecnologia promettente per la generazione di energia sostenibile grazie al loro potenziale di alta efficienza e ridotte emissioni. Tuttavia, le significative variazioni non lineari delle proprietà del fluido vicino al punto critico influenzano notevolmente il comportamento del fluido in questa regione. La caratterizzazione sperimentale della sCO2 è cruciale per lo sviluppo di questi cicli. Per affrontare queste sfide, è stata progettata e costruita una struttura sperimentale a circuito chiuso per caratterizzare il comportamento della sCO2 nelle regioni supercritica e bifasica. È stato sviluppato un modello dinamico del circuito sperimentale per prevederne il comportamento in diverse condizioni operative, incluso l'uso di miscele di CO2-SO2, fornendo uno strumento prezioso per lo studio delle prestazioni del circuito. Questa tesi indaga le sfide principali associate ai flussi di sCO2, in particolare il fenomeno della condensazione fuori equilibrio e le interazioni delle onde d’urto in flussi supersonici bifasici. È stato sviluppato un nuovo approccio numerico avanzato per simulare la condensazione in non-equilibrio nei flussi di sCO2. Questo approccio include modelli che tengono conto degli effetti di gas reale alle alte pressioni tipiche dei cicli sCO2. Inoltre, la ricerca analizza il comportamento delle onde d’urto nei flussi bifasici di CO2 all'interno degli ugelli. Simulazioni CFD tridimensionali esaminano l'interazione tra onde d’urto e strato limite, nonché l'impatto delle onde d’urto sui tassi di evaporazione delle gocce. Infine, la dissertazione esplora metodi basati sui momenti per simulare la distribuzione statistica delle dimensioni delle gocce nei flussi di CO2 in condensazione. Questi metodi sono integrati nel modello di cambio di fase esistente e applicati a simulazioni di ugelli e di schiere di turbine. I risultati di questa ricerca contribuiscono in modo significativo allo sviluppo e all’ottimizzazione dei cicli a sCO2, fornendo preziose informazioni sul comportamento dei flussi bifasici di CO2. I modelli numerici presentati possono essere utilizzati per la progettazione e l'analisi dei componenti critici nei cicli sCO2, portando infine a una maggiore efficienza e prestazioni migliorate.
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