Análisis y Optimización del Rendimiento de Ciclos Brayton Cerrados Avanzados con Mezclas de CO2
Authors:   , Tafur Escanta Paul Michael 
Published: April 2024

The energy transition that is currently required is based on the sustainability of renewable energy sources, which are the central axis of efforts to help with the decarbonization of the global energy system, reduce environmental pollution and thereby mitigate the effects of change climate. This scenario has allowed a dynamic growth of renewable energies that can play a significant role in meeting global energy demand. Some renewable energy conversion systems use thermodynamic cycles to transform thermal energy into mechanical energy, which is then transformed into electrical energy by an electrical generator. Current lines of research seek ways to improve the energy efficiency of this type of systems and therefore have focused on a Brayton power cycle that uses Carbon Dioxide in a supercritical state as a working fluid that has been shown to improve the performance of the cycle. However, a variation in the cold focus temperature causes the cycle to lose efficiency, which has led the scientific community to search for a fluid that is added to CO2 to relocate the critical point and thus can be used in different applications that can range from concentrated solar energy, heat pumps and marine propulsion.

Binary mixtures based on CO2 have become a fundamental pillar of study in supercritical Brayton cycles with the aim of obtaining a significantly higher cycle performance with respect to that obtained by pure CO2. Thus, this work focuses on first analyzing four additives: Carbonyl Sulfide (COS), Hydrogen Sulfide (H2S), Ammonia (NH3) and Sulfur Dioxide (SO2) with a molar fraction that conditions a critical temperature of the mixture of around 51 C. Then, two more additives are analyzed: Propane (C3H8) and Methane (CH4) with molar fractions conditioned for compressor inlet temperatures from 32 C. These new fluids will be energetically evaluated through an analysis of entropy generation in the components of three Brayton cycle topologies: Recompression (RCC), Recompression with Intermediate Cooling in the Main Compressor (RCMCI) and Partial Cooling with Recompression (PCRC). In addition, the variation of the compressor inlet temperature (CIT), turbine inlet temperature (TIT) and thermal size (UA) is studied in order to determine which mixture achieves better performance in each topology and how they are affected due to the variation of these parameters.

The main results obtained have shown that the analyzed mixtures help to improve thermal efficiency in the cycles. The best performance of the mixtures results from the combination of two phenomena, on the one hand, the efficiency of Cycles I and II in the topologies analyzed in Chapter 3; and, on the other hand, the specific heat imbalance between the high and low pressure isobars that balance after diverting more mass flow to the recompressor. However, efficiency is penalized because more work is produced in Cycle II, which turns out to be the least efficient. Meanwhile, the entropy generation analysis shows that the greatest irreversibilitys are generated in high and low temperature heat recuperators, reaching in all cases more than 50% of the total entropy generated in the cycles. In this way, the CO2/COS mixture presents better performance characteristics in the RCC topology than in the PCRC when the CIT is 51 C. An increase in the TIT and UA values causes a greater gap between the efficiency obtained in the topologies. Being greater in case the value of the thermal size is increased. While, to overcome the performance benefits obtained by the RCMCI topology, in the RCC the TIT must be increased and the CIT and UA kept constant.

RESUMEN

La transición energética que se requiere en la actualidad está fundamentada en la sostenibilidad de las fuentes de energías renovables que son el eje central de los esfuerzos para ayudar con la descarbonización del sistema energético mundial, reducir la contaminación ambiental y con ello mitigar los efectos del cambio climático. Este escenario ha permitido un crecimiento dinámico de las energías renovables que pueden desempeñar un papel significativo en la satisfacción de la demanda energética mundial. Algunos sistemas de conversión de energía renovable utilizan ciclos termodinámicos para transformar la energía térmica en energía mecánica que, a continuación, se transforma en energía eléctrica mediante en generador eléctrico. Las líneas de investigación actuales buscan formas de mejorar la eficiencia energética de este tipo de sistemas y por ello se han enfocado en un ciclo de potencia Brayton que utiliza Dióxido de Carbono en estado supercrítico como fluido de trabajo que ha demostrado mejorar el rendimiento del ciclo. Sin embargo, una variación en la temperatura de foco frío hace que el ciclo pierda eficiencia, lo que ha llevado a la comunidad científica a buscar un fluido que sea añadido al CO2 para reubicar el punto crítico y de este modo se pueda aprovechar en diferentes aplicaciones que pueden ir desde energía solar concentrada, bombas de calor y propulsión marina.

Las mezclas binarias a base de CO2 se han convertido en un pilar fundamental de estudio en los ciclos Brayton supercríticos con la finalidad de obtener un rendimiento del ciclo significativamente mayor con respecto al obtenido por le CO2 puro. De este modo, este trabajo se centra en analizar primero cuatro aditivos: Sulfuro de Carbonilo (COS), Sulfuro de Hidrógeno (H2S), Amoniaco (NH3) y Dióxido de Azufre (SO2) con una fracción molar que condicione una temperatura crítica de la mezcla de alrededor de 51C. Luego, se analizan dos aditivos más: Propano (C3H8) y Metano (CH4) con fracciones molares condicionadas para temperaturas de entrada al compresor desde 32C. Estos nuevos fluidos serán evaluados energéticamente mediante un análisis de generación de entropía en los componentes de tres topologías de ciclos Brayton: Recompresión (RCC), Recompresión con Enfriamiento Intermedio en el Compresor Principal (RCMCI) y Enfriamiento Parcial con Recompresión (PCRC). Además, se estudia la variación de la temperatura de entrada al compresor (CIT), temperatura de entrada a la turbina (TIT) y tamaño térmico (UA) con la finalidad de determinar que mezcla logra mejores prestaciones en cada topología y cómo se ven afectadas por la variación de estos parámetros.

Los resultados obtenidos han demostrado que las mezclas analizadas ayudan a mejorar la eficiencia térmica en los ciclos. El mejor rendimiento de las mezclas resulta de la combinación de dos fenómenos, por un lado, la eficiencia de los Ciclos I y II en las topologías analizadas en el Capítulo 3; y, por otro lado, el desequilibrio de calor específico entre las isóbaras de alta y baja presión que se ven equilibradas después de desviar más flujo másico al recompresor. Sin embargo, la eficiencia se ve penalizada porque se produce más trabajo en el Ciclo II que resulta ser el menos eficiente. Mientras que, el análisis de generación de entropía muestra que las mayores irreversibilidades se generan en los recuperadores de calor de alta y baja temperatura, llegando a ser en todos los casos más del 50% de la entropía total generada en los ciclos. De este modo, la mezcla CO2/COS presenta mejores prestaciones de rendimiento en la topología RCC que en la PCRC cuando la CIT es de 51C. Un aumento en los valores de la TIT y UA provoca una mayor brecha entre la eficiencia obtenida en las topologías. Siendo mayor en caso de que se aumente el valor del tamaño térmico. Mientras que, para superar las prestaciones de rendimiento obtenidas por la topología RCMCI, en la RCC se debe aumentar la TIT y mantener constante la CIT y el UA.