Mejorando la eficiencia del ciclo de potencia Brayton con s-CO₂ en condiciones ambientales frías mediante mezclas de fluidos de trabajo

Abstract

Los ciclos Brayton con dióxido de carbono supercrítico (s-CO₂) han surgido como una tecnología prometedora para la generación de energía de alta eficiencia, debido a su arquitectura compacta y a sus favorables propiedades termofísicas. Sin embargo, su desempeño se degrada significativamente bajo condiciones de climas fríos —como las que se encuentran en Groenlandia, Rusia, Canadá, Escandinavia y Alaska— debido a la proximidad al punto crítico del fluido. Este estudio investiga el comportamiento del ciclo Brayton con recompresión (RBC) bajo temperaturas ambientales bajo cero mediante la incorporación de aditivos con baja temperatura crítica para crear mezclas binarias basadas en CO₂. Los fluidos de trabajo examinados incluyen metano (CH₄), tetrafluorometano (CF₄), trifluoruro de nitrógeno (NF₃) y criptón (Kr). Los resultados de simulación muestran que las mezclas ricas en CH₄ y CF₄ pueden lograr mejoras en la eficiencia térmica de hasta 10 puntos porcentuales en comparación con el CO₂ puro. Las mezclas que contienen NF₃ presentan un desempeño sólido en ambientes moderadamente fríos, mientras que las mezclas basadas en Kr proporcionan incrementos de eficiencia modestos pero consistentes. A bajas temperaturas de entrada al compresor, el recuperador de alta temperatura (HTR) se convierte en el componente dominante que limita el desempeño. La distribución óptima de la conductancia del recuperador (UA) favorece un mayor dimensionamiento del HTR cuando se emplean mezclas, garantizando una recuperación de calor efectiva a través de mayores diferenciales de temperatura. El estudio concluye con un análisis exergético comparativo entre ciclos con CO₂ puro y ciclos basados en mezclas dentro de la arquitectura RBC. Los hallazgos destacan el potencial de fluidos de trabajo diseñados a medida para mejorar el desempeño termodinámico y la estabilidad operativa de los sistemas de potencia con s-CO₂ bajo condiciones de climas fríos.