Optimization of recuperator dimensions and study of favourable fin and tube geometry

Abstract

This thesis is conducted in collaboration with Alfa Laval Aalborg Oy and the EU’s MARPOWER project. The project’s goal is to develop an innovative gas turbine energy conversion system to aid in the decarbonization of marine transportation. The aim of this thesis is to design, dimension, and optimize a recuperator for the gas turbine system. Five different fin and tube geometry options are considered for the recuperator’s configuration.

To achieve the thesis goals, the LMTD method and appropriate correlations from the literature are utilized for heat transfer performance and pressure drop estimation for each of the five options. The thesis presents detailed dimensioning calculations for each option, including suitable material selections for the recuperator. The optimal option features continuous smooth fins and circular tubes in staggered arrangement, offering moderate heat transfer effectiveness, low pressure drops, compact overall dimensions, and cost efficiency compared to the other alternatives.

Additionally, the study introduces the EU’s goals for the decarbonization of shipping and presents the MARPOWER project’s aims to contribute to these goals. It examines sustainable fuels such as hydrogen, renewable methane, methanol, and ammonia, which are intended for use in the developed gas turbine system. The fuel production methods, combustion properties related to emissions, and necessary modifications to the gas turbine system are also investigated.

Tämä diplomityö on tehty yhteistyössä Alfa Laval Aalborg Oy:n ja EU:n MARPOWER-projektin kanssa. Projektin tavoitteena on kehittää innovatiivinen kaasuturbiinienergiantuotantojärjestelmä, joka edistää meriliikenteen siirtymistä kohti hiilineutraaliutta. Diplomityön tavoitteena on suunnitella, mitoittaa ja optimoida rekuperaattori kaasuturbiinijärjestelmään. Rekuperaattorin konfiguraatiota varten tarkastellaan viittä erilaista ripa- ja putkigeometriaa.

Diplomityön tavoitteiden saavuttamiseksi hyödynnetään LMTD-menetelmää ja kirjallisuudesta löydettyjä soveltuvia korrelaatioita lämmönsiirtotehokkuuden ja painehäviöiden arvioimiseksi kullekin viidelle vaihtoehdolle. Diplomityössä esitetään yksityiskohtaiset mitoituslaskelmat kullekin vaihtoehdolle, mukaan lukien sopivien materiaalien valinta rekuperaattorille. Optimaalinen vaihtoehto koostuu jatkuvista levyrivoista ja pyöreistä putkista, jotka tarjoavat kohtuullisen lämmönsiirtotehokkuuden, alhaiset painehäviöt, kompaktit ulkomitat ja hyvän kustannustehokkuuden verrattuna muihin vaihtoehtoihin.

Lisäksi tutkimuksessa esitellään EU:n tavoitteet meriliikenteen hiilineutraaliuden saavuttamiseksi ja MARPOWER-projektin pyrkimykset edistää näitä tavoitteita. Kehitetyssä kaasuturbiinijärjestelmässä on tarkoitus käyttää kestäviä polttoaineita, kuten vetyä, synteettistä metaania, metanolia ja ammoniakkia. Myös näiden polttoaineiden tuotantomenetelmiä, palamisominaisuuksia liittyen päästöjen tuotantoon ja tarvittavia muutoksia kaasuturbiinijärjestelmään tarkastellaan.