GE Research nutzt 3D-Druck um Wärmetauscher zu entwickeln

GE Research führt ein 2,5-Millionen-Dollar-Projekt mit der Advanced Research Projects Agency’s (ARPA-E) High Intensity Thermal Exchange through Materials and Manufacturing Processes program (HITEMMP) durch, um einen Hochtemperatur-, Hochdruck- und Superkompaktwärmetauscher zu entwickeln, der reinere, effizientere Stromerzeugung in bestehenden und zukünftigen Kraftwerksplattformen ermöglicht.

Ein interdisziplinäres Team aus erstklassigen Experten für Hochtemperatur-Metalllegierungen, Wärmemanagement und additive Fertigung entwickelt in Zusammenarbeit mit der University of Maryland und dem Oak Ridge National Laboratory einen Wärmeaustauscher der 900 °C und 250 bar (3626 psi) vertägt. Dieser ermöglicht fortgeschrittene Anwendungen in der Energie- und Luftfahrtindustrie, die eine schrittweise Änderung der Energieeffizienz bewirken.

Peter deBock, Principal Thermal Engineer für GE Research und Projektleiter beim ARPA-E-Award, sagt, dass die einzigartige Mischung an Fähigkeiten des Teams zu einem neuen Wärmetauscher-Design führen wird, das neue Effizienzbarrieren durchbricht. „Wir nutzen unser tiefes Wissen im Metall- und Wärmemanagement und wenden es auf eine Weise an, die wir vor dem 3D-Druck noch nicht haben konnten“, sagte deBock. „Mit dem 3D-Druck können wir jetzt neue Designarchitekturen erreichen, die bisher nicht möglich waren. Dies ermöglicht uns die Entwicklung eines UPHEAT-Geräts (Ultra Performance Heat Exchanger enabled by Additive Technology), das bei Temperaturen um 250 °C, die über den heutigen Wärmetauschern liegen, kostengünstiger betrieben werden kann.”

deBock stellte fest, dass Wärmetauscher eine ähnliche Funktion haben wie die Lungen im menschlichen Körper. „Lungen sind der ultimative Wärmeaustauscher, der die Atemluft zirkuliert, damit der Körper auf Höchstleistung arbeitet und gleichzeitig die Körpertemperatur reguliert. Wärmetauscher in Stromerzeugungsanlagen wie einer Gasturbine erfüllen im Wesentlichen die gleiche Funktion, jedoch bei viel höheren Temperaturen und Drücken. Mit der additiven Fertigung werden GE und die University of Maryland nun komplexere biologische Formen und Designs erkunden, um eine stufenweise Änderung der Wärmetauscherleistung zu ermöglichen, die eine höhere Effizienz und geringere Emissionen bietet.“

Der neue Wärmetauscher, der vom Team entwickelt wird, wird eine einzigartige, hochtemperaturfähige, rissbeständige Nickel-Superlegierung einsetzen, die vom Team von GE Research speziell für den additiven Fertigungsprozess entwickelt wurde. Das Oak Ridge National Laboratory wird sein bekanntes Know-how in der Korrosionswissenschaft einsetzen, um die Langzeitleistung von Materialien zu testen und zu validieren. Nach seiner Fertigstellung wird der Wärmetauscher die thermische Effizienz von indirekt beheizten Stromkreisläufen, wie Brayton-Stromerzeugung mit überkritischem Kohlendioxid (sCO2), erhöhen, wodurch Energieverbrauch und Emissionen reduziert werden. Darüber hinaus bieten hochtemperaturfähige Wärmetauscher neue Möglichkeiten in modernen Luftfahrtanwendungen.

Ziel des 2,5-jährigen Programms ist es, den 3D-gedruckten Wärmetauscher bei voller Temperatur- und Druckkapazität zu entwickeln und zu demonstrieren.