Análisis y Optimización del Rendimiento de Ciclos Brayton Cerrados Avanzados con Mezclas de CO2

• Autores: Paul Michael Tafur Escanta
• Directores de la Tesis: Javier Muñoz Antón (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2024
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Ignacio López Paniagua (presid.), Javier Rodríguez Martin (secret.), Alejandro Medina Domínguez (voc.), Domingo José Santana Santana (voc.), Manuel Antonio Silva Pérez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Energía Sostenible Nuclear y Renovable por la Universidad Politécnica de Madrid
• Calificación: Sobresaliente
• Materias:
  • Física
    • Física atómica y nuclear
      • Conversión de energía
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología energética
      • Generación de energía
  • Ciencias económicas
    • Economía sectorial
      • Energía
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• 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 51°C. Luego, se analizan dos aditivos más: Propano (C3H8) y Metano (CH4) con fracciones molares condicionadas para temperaturas de entrada al compresor desde 32°C. 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 51°C. 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.