MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)PennState28254bjs6878
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a621
■1001  ▼aSiefering,  Bryan  J.
■24510▼aInvestigation  of  a  Dilute  Flow  Particle  Reactor  for  Coupling  Thermochemical  Energy  Storage  to  Supercritical  Carbon  Dioxide  Brayton  Cycles
■260    ▼a[Sl]▼bThe  Pennsylvania  State  University▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a193  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-05,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Fronk,  Brian  M.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--The  Pennsylvania  State  University,  2024.
■520    ▼aParticle  based  energy  storage  technologies  show  promise  to  link  the  temporal  mismatch  between  energy  demand  and  energy  availability  in  renewable  resources  such  as  solar  thermal.  The  objective  of  this  thesis  is  determining  the  feasibility  of  recovering  energy  from  dilute  streams  of  particles  that  store  sensible  and  chemical  energy,  referred  to  as  thermochemical  energy  storage  (TCES).  TCES  materials  such  as  non-stoichiometric  perovskite  oxides  can  be  used  for  multi-day  energy  storage  needs  because  of  their  increased  energy  storage  density  and  duration  compared  to  inert  systems  that  do  not  utilize  chemical  energy  storage.  The  TCES  materials  are  charged  and  discharged  in  a  two-step  cyclic  process.  During  periods  of  high  renewable  energy  availability,  particles  are  heated,  reduced  and  stored  in  a  high  energy  density  state.  During  discharging,  the  particles  are  re-oxidized  and  the  chemical  and  sensible  energy  of  the  particles  is  recovered  and  transferred  into  a  working  fluid  to  drive  a  heat  engine  such  as  a  recompression  supercritical  carbon  dioxide  (sCO2)  Brayton  cycle.  The  device  that  performs  this  task  is  referred  to  as  an  Energy  Recovery  Reactor  (ERR),  and  the  development  of  this  component  based  on  theoretical  and  physical  considerations  is  the  specific  focus  of  this  thesis.  Within  the  ERR,  reduced  TCES  particles  re-oxidize  in  a  counterflow  air  stream  at  temperatures  900°C  and  near  atmospheric  pressure,  using  the  O2  in  the  air  as  a  reactant.  Reduced  order  numerical  models  developed  in  this  study  analyze  the  heat  transfer  and  re-oxidation  performance  of  the  particle  stream  based  on  moving  equilibrium  reaction  conditions  at  varying  temperatures  and  partial  pressures  of  O2.  Within  the  model,  a  particle  numbering  up  approach  is  used  to  evaluate  the  individual  heat  transfer  of  a  single  particle  with  its  surrounding  using  well  established  heat  transfer  correlations.  Within  the  ERR,  the  particles  flow  in  a  dilute  flow  regime  where  the  solid  volume  fraction  is  ~1%,  enabling  high  view  factors  and  effective  particle-to-heat  exchanger  wall  radiation.From  these  models,  two  prototype  ERR  devices  were  designed,  fabricated,  and  tested  at  various  conditions  with  inert  and  reactive  particles  and  pressurized  air  and  sCO2  as  the  working  fluids.  The  tradeoff  between  the  heat  transfer  performance  and  the  hydrodynamics  of  a  dilute  flow  particle  stream  with  counterflow  air  must  be  balanced  which  leads  to  a  design  with  surface  area  enhancements.  The  first  prototype,  a  shell  and  tube  design  described  in  Phase  1  of  this  work,  was  tested  using  ¬pressurized  air  as  the  heat  transfer  fluid  and  inert  particles  but  did  not  effectively  transfer  heat  from  the  particle  domain  into  the  working  fluid  due  to  a  thermal  bottleneck  caused  by  high  thermal  resistances  in  the  heat  exchanger  core  containing  the  working  fluid.  A  second  prototype,  with  a  counterflow  tube-in-tube  design  increased  the  heat  transfer  effectiveness  from  the  dilute  particle  flow  to  the  working  fluid  through  by  272%  by  balancing  the  thermal  resistance  between  the  particles  and  the  working  fluid  in  the  design  of  the  heat  exchanger.Experimental  results  are  compared  with  the  reduced  order  model  and  show  predictive  capabilities  with  MAPE  of  under  20%.  The  model  also  predicts  the  behavior  of  the  ERR  prototypes  when  tested  with  reactive  particles  at  design  conditions,  showing  that  for  equal  heat  duties,  reactive  particles  streams  require  flow  rates  35.8%  less  than  inert  particle  streams,  highlighting  the  increased  energy  storage  density  of  reactive  particle  media  used  in  TCES  system  compared  to  inert  particle  media  used  in  more  conventional  TES  systems.  The  tools  and  methods  described  in  this  thesis  can  be  used  to  guide  the  design  of  future  dilute  particle-to-sCO2  heat  exchangers  to  increase  the  technology  readiness  level  of  particle  based  thermochemical  energy  storage.
■590    ▼aSchool  code:  0176.
■650  4▼aHeat  transfer
■650  4▼aNitrates
■650  4▼aAir  flow
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■690    ▼a0725
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■690    ▼a0405
■690    ▼a0348
■71020▼aThe  Pennsylvania  State  University.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-05B.
■790    ▼a0176
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17164412▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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