Análisis de los efectos por el uso de aditivos en ciclos Brayton supercríticos de CO2

Resumen

En el presente Trabajo Fin de Máster se plantea el estudio de nuevos fluidos de trabajo basados en el dióxido de carbono supercrítico, empleados en ciclos de potencia Brayton para centrales solares de concentración (CSP).

Inicialmente se realiza una revisión bibliográfica de las centrales solares de concentración existentes actualmente y se centra el foco de estudio en el ciclo de potencia, en concreto en el ciclo Brayton. Posteriormente se estudian las propiedades del CO2 supercrítico como fluido de trabajo para centrales solares de concentración.

Con estas premisas se parte del trabajo realizado por Tafur-Escanta, et al. (2022), en el cuál estudia diferentes aditivos (mezclas) que mejoran los rendimientos de las CSP y su correlación con la presión crítica de las diferentes mezclas.

Se decide estudiar las tres configuraciones del ciclo Brayton más investigadas hoy en día: el ciclo de recompresión (RCC), el ciclo recompresión con enfriamiento del compresor principal (RCMCI) y el ciclo de enfriamiento parcial con recompresión (PCRC). En el caso de las mezclas estudiadas en este Trabajo, se parte de las investigadas en el artículo de Tafur-Escanta, et al. (2022) y en la Tesis de Valencia-Chapi (2020) y se añaden al estudio alguna más: s-CO2/C2H6, s-CO2/CH4, sCO2/He, s-CO2/H2S, s-CO2/Kr, s-CO2/C5H12, s-CO2/C6H6, s-CO2/C3H8, s-CO2/C4H8, s-CO2/C4H10, sCO2/C5H10

Con la introducción clara, la metodología de este trabajo consta de cuatro fases principales: modelización, validación, simulación y análisis.
1. En la fase de modelización, se generan modelos para reproducir las simulaciones de Tafur-Escanta et al. (2022). Para ello se definen los parámetros de diseño para cada ciclo con varias ecuaciones de estado y se construyen los modelos en UniSim®.
2. En la fase de validación, se verifica la exactitud de los modelos construidos comparándolos con los resultados de Tafur-Escanta et al. (2022) y se ajustan los parámetros de diseño del ciclo.
3. En la fase de simulación, se construye un banco de datos del estudio de las simulaciones de los modelos de UniSim® ya construidos y validados, y se seleccionan las condiciones
de operación que determinan el rendimiento óptimo para cada topología de ciclo y con cada una de las sustancias consideradas.
4. En la fase de simulación, se analiza la influencia del fluido de trabajo sobre el rendimiento del ciclo. Se realiza un análisis termodinámico con el objeto de descomponer el rendimiento térmico obtenido cuantificando dos aspectos, con ellos se estudia la correlación existente con las propiedades termofísicas estudiadas:
- El rendimiento correspondiente a la máquina de Carnot equivalente: determinado por la temperatura media de adición y rechazo del ciclo.
- El término negativo proporcional a las irreversibilidades del ciclo.

Finalmente, los resultados obtenidos en este Trabajo demuestran que el empleo de aditivos en el fluido de trabajo proporciona un impacto positivo en la eficiencia global de los ciclos estudiados, sobre todo en el ciclo RCMCI.

Aunque no se ha encontrado una correlación clara entre las diferentes propiedades termofísicas de los fluidos y la eficiencia global de cada ciclo, puede decirse que este Trabajo Fin de Máster proporciona información de investigación relevante para líneas de investigación futuras.

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In this Master's Thesis we propose the study of new working fluids based on supercritical carbon dioxide, used in Brayton power cycles for concentrating solar power plants (CSP). Initially, a bibliographic review of the currently existing CSP plants is carried out and the focus of the study is centered on the power cycle, specifically on the Brayton cycle. Subsequently, the properties of supercritical CO2 as a working fluid for concentrating solar power plants are studied.

With these premises, we start from the work done by Tafur-Escanta, et al. (2022), in which he studies different additives (mixtures) that improve the performance of CSP and their correlation with the critical pressure of the different mixtures.

It was decided to study the three Brayton cycle configurations most investigated today: the recompression cycle (RCC), the recompression cycle with main compressor cooling (RCMCI) and the partial cooling cycle with recompression (PCRC). In the case of the mixtures studied in this work, we start from those investigated in the article by Tafur-Escanta, et al. (2022) and in the thesis of Valencia-Chapi (2020) and some more are added to the study: s-CO2/C2H6, s-CO2/CH4, s-CO2/He, s-CO2/H2S, s-CO2/Kr, s-CO2/C5H12, s-CO2/C6H6, s-CO2/C3H8, s-CO2/C4H8, s-CO2/C4H10, s-CO2/C5H10

With the clear introduction, the methodology of this work consists of four main phases: modeling, validation, simulation and analysis.
1. In the modeling phase, models are generated to reproduce the simulations of Tafur-Escanta et al. (2022). For this purpose, the design parameters for each cycle are defined with several state equations and the models are built in UniSim®.
2. In the validation phase, the accuracy of the constructed models is verified by comparing them with the results of Tafur-Escanta et al. (2022) and the cycle design parameters are adjusted.
3. In the simulation phase, a data bank is built from the study of the simulations of the UniSim® models already built and validated, and the operating conditions that determine the optimum performance for each cycle topology and with each of the substances considered are selected.
4. In the simulation phase, the influence of the working fluid on the cycle performance is analyzed. A thermodynamic analysis is carried out to break down the thermal efficiency obtained by quantifying two aspects, with which the correlation with the thermophysical properties studied is studied:
- The yield corresponding to the equivalent Carnot machine: determined by the average temperature of addition and rejection of the cycle.
- The negative term proportional to the irreversibilities of the cycle.

Finally, the results obtained in this work show that the use of additives in the working fluid provides a positive impact on the overall efficiency of the studied cycles, especially in the RCMCI cycle.

Although no clear correlation has been found between the different thermophysical properties of the fluids and the overall efficiency of each cycle, it can be said that this Master Thesis provides relevant research information for future research lines.