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

Abstract

Dióxido de carbono supercrítico (s-CO2) Los ciclos Brayton han surgido como una tecnología prometedora para la generación de energía de alta eficiencia, debido a su arquitectura compacta y sus favorables propiedades termofísicas. Sin embargo, su rendimiento se degrada significativamente bajo condiciones de clima frío —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 de Brayton de recompresión (RBC) bajo temperaturas ambientales bajo cero mediante la incorporación de aditivos a baja temperatura crítica para crear CO2-mezclas binarias basadas en -. Los fluidos de trabajo examinados incluyen metano (CH4), tetrafluorometano (FQ4), trifluoruro de nitrógeno (NF3), y kriptón (Kr). Los resultados de la simulación muestran que el CH4- y CF4Las mezclas ricas en pueden lograr mejoras de eficiencia térmica de hasta 10 puntos porcentuales respecto al CO puro2. NF3Las mezclas que contienen ofrecen un rendimiento sólido en ambientes moderadamente fríos, mientras que las mezclas basadas en Kr proporcionan mejoras de eficiencia modestas pero constantes. A bajas temperaturas de entrada del compresor, el recuperador de alta temperatura (HTR) se convierte en el componente dominante que limita el rendimiento. La distribución óptima de la conductancia del recuperador (UA) favorece un aumento del tamaño del HTR cuando se emplean mezclas, asegurando una recuperación efectiva de calor a través de diferencias de temperatura mayores. El estudio concluye con un análisis comparativo de exergogia entre CO puro2 y ciclos basados en mezclas en la arquitectura RBC. Los hallazgos destacan el potencial de fluidos de trabajo personalizados para mejorar el rendimiento termodinámico y la estabilidad operativa del s-CO2 sistemas eléctricos bajo condiciones de clima frío.