Regenerative heat exchanger for use in indirectly fired gas turbines (EFGT)

Abstract

Eksternt fyrte gass turbiner har blitt foreslått å være en kilde til lokal bærekraftig elektrisitetsproduksjon. EFGT syklusen har den fordelen at den kan bruke drivstoff med korrosive avgasser ved å sende gassen gjennom en varmeveksler. Denne varmeveksleren kan være både rekuperativ eller regenerativ. I denne rapporten ble fokuset lagt på regenerative varmevekslere. Flere numeriske modeller, basert på en iterativ metodikk, for en regenerativ varmeveksler ble utviklet for denne rapporten. Modellene utviklet seg sånn at de senere modellene tok for seg mer realistiske parametre enn de tidlige numeriske modellene. Tilgjengelig litteratur for eksisterende løsninger for varmevekslere i EFGT syk- luser ble gjennomgått. Basert på kompakthet og effektivitet ble det bestemt at roterende regeneratorer var den mest passende varmeveksleren til å benyttes. For å sørge for at varmeveksleren hadde den nødvendige termiske effektiviteten til å fungere ved 1000 °C, ble det bestemt at den måtte bestå av et kjeramisk materiale. De numeriske modellene for den regenerative varmeveksleren ble sammenlignet med tilgjengelige eksempler fra litteraturen, og her ble det oppdaget forskjeller. Modellen gav opp til 25% forskjell i temperaturer og opp til 17% forskjell i en- ergibalanser. Avviket i den numeriske modellen var ukjent, men det ble observert at forskjellen i energibalanse økte med en økning eller reduksjon i forholdet mellom varm og kald side. I tillegg ble det observert tilsvarende forskjeller i en numerisk modell som ble laget parallellt med denne rapporten. En utdypende beskrivelse av de numeriske modellene er lagt til i vedleggene. Den numeriske modellen ble benyttet til å designe roterende varmevekslere for en 100 kW EFGT. De resulterende varmevekslerene ble sammenlignet med hveran- dre, i tillegg til å bli sammenlignet med en rekuperativ varmeveksler designet til den samme EFGTen. Regeneratorene viste en økning i effektivitet og kompakthet sammenliknet med rekuepratoren. Men uansett, til slutt ble det konkludert med at de designede regeneratorene ikke var passende for EFGTen som følge av fare for groing. De hydrauliske diametrene for regeneratorene var av størrelseorden 0.5 · 10−3 meter.

The micro externally fired gas turbine has been proposed to produce local, sus- tainable electricity in the capacity of 100-2000 kWel. The EFGT cycle can utilise corrosive combustion processes unusable by other gas turbine cycles by using a heat exchanger. The heat exchanger can be either recuperative or regenerative. In this report, the focus was on the regenerative heat exchangers. Several numer- ical models of the regenerative heat exchanger were made based on an iterative methodology, where the later versions evaluated the regenerator for more realistic behaviour than the earlier versions. Available literature was searched for existing solutions for heat exchangers in EFGT cycles. Based on compactness and effectivity, it was found that the rotating regenerator was well suited to be used in the EFGT cycle. To enable the regenerator to have the required thermal effectiveness to operate at 1000 °C, it was decided to use a ceramic material. The numerical model of the regenerative heat exchanger was compared to ex- amples from the literature, and it was found that there were some differences. The program returned up to 25% difference in temperatures and up to 17% difference in the energy balances. The anomaly in the numerical model was unknown, but it was seen that the difference in energy balance increased with a reduction or increase in split-flow ratio. Further, the same differences were noted in a different numerical model, created parallel to this report. An extensive description of the numerical model have been appended. The numerical model was used to design rotary heat exchangers for a 100 kW EFGT. The resulting heat exchangers were compared to each other, as well as to a recuperative heat exchanger designed for the same EFGT. The regenerators showed on average an increase in effectivity and compactness, compared to the recuperator. However, the regenerators were considered unfit for implementation into an EFGT cycle due to the risk of fouling. The hydraulic diameters of the regenerators were in the size of 0.5 · 10−3 m.