Análisis exergético de un ciclo Brayton supercrítico con dióxido de carbono como fluido de trabajo
Introducción: Actualmente, el modelado termodinámico de los ciclos de potencia es una herramienta muy atractiva, con la cual se logra analizar y determinar cuan eficiente podría llegar a ser la combinación de distintos ciclos y/o la implementación de diversos componentes, que con sus di...
- Autores:
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Herrera Palomino, Moises
Castro Pacheco, Edgardo
Duarte Forero, Jorge
Fontalvo Lascano, Armando
Vásquez Padilla, Ricardo
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- Fecha de publicación:
- 2018
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- Corporación Universidad de la Costa
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Introducción: Actualmente, el modelado termodinámico de los ciclos de potencia es una herramienta muy atractiva, con la cual se logra analizar y determinar cuan eficiente podría llegar a ser la combinación de distintos ciclos y/o la implementación de diversos componentes, que con sus diversas características y comportamientos impactan de forma positiva sobre la generación de energía. Además de ir ganando importancia en la utilización de tecnologías medio ambientalmente amigables. Objetivo: En este estudio se busca determinar el impacto de los parámetros de funcionamiento de un ciclo Brayton súper crítico respecto a  su comportamiento energético y exergético a medida que se realiza la variación de la temperatura del ciclo y demás condiciones de trabajo, tales como uso de calentador y recalentador. Metodología: Se realizó un modelo termodinámico para el análisis energético y exergético de 4 configuraciones de un ciclo Brayton súper crítico con dióxido de carbono como fluido de trabajo, a variados niveles de temperatura y garantizando una presión máxima de 25 MPa. Resultados: Los resultados obtenidos del modelo desarrollado y validado, permitieron verificar que para las configuraciones con recalentamiento se presentan pérdidas totales de exergía consistentemente más bajas que para las configuraciones sin este.  Conjuntamente la temperatura de entrada a la turbina y las relaciones de presión tienen una influencia significativa sobre estas pérdidas, obteniéndose su valor mínimo a temperaturas de entre 800-850 °C. Conclusiones: Las pérdidas totales de exergía son menores en las configuraciones que implementan el uso de recalentador que las que no lo usan. Se aprecia que con el uso de recalentador las pérdidas de exergía disminuyen en al menos 3 puntos porcentuales a medida que aumenta la temperatura para todas las configuraciones. |
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Kalina, “Combined cycle and waste heat recovery power systems based on a novel thermodynamic energy cycle utilizing low-temperature heat for power generation”, American Society of Mechanical Engineers, Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, at the Joint Power Generation Conference: GT papers, 1983. https://doi.org/10.1115/83-JPGC-GT-3 [5] Y. D. Goswami, “Solar thermal power technology: present status and ideas for the future”, Energy sources, vol. 20, no. 2, pp. 137-145, 1998. https://doi.org/10.1080/00908319808970052 [6] A. Fontalvo, H. Pinzón, J. Duarte, A. Bula, A. González, “Exergy analysis of a combined power and cooling cycle”, Applied Thermal Engineering, vol. 60, no. 1, pp. 164-171, 2013. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.06.034 [7] E. D. Rogdakis y K. A. Antonopoulos, “A high efficiency NH3/H2O absorption power cycle”, Heat Recovery Systems and CHP, vol. 11, no. 4, pp. 263-275, 1991. https://doi.org/10.1016/0890-4332(91)90072-C [8] C. S. Turchi, Z. Ma, T. W. 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Platell, “A comparative study of the carbon dioxide transcritical power cycle compared with an organic Rankine cycle with R123 as working fluid in waste heat recovery”, Applied Thermal Engineering, vol. 26, no. 17, pp. 2142-2147, 2006. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2006.04.009 [13] V. Dostal, M. J. Driscoll y P. Hejzlar, “A supercritical carbon dioxide cycle for next generation nuclear reactors”, Dept. of Nuclear Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 2004. [14] M. D. V. Kulhánek, “Thermodynamic analysis and comparison of supercritical carbon dioxide cycles”, de Proceedings of Supercritical CO2 Power Cycle Symposium, 2011. [15] A. Moisseytsev y J. J. Sienicki, “Investigation of alternative layouts for the supercritical carbon dioxide Brayton cycle for a sodium-cooled fast reactor”, Nuclear Engineering and Design, vol. 239, no. 7, pp. 1362-1371, 2009. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2009.03.017 [16] J. 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Wuthrich, “Thermodynamic study of a supercritical CO2 Brayton cycle concept”, Proceedings of supercritical CO2 power cycle symposium, 2009. [22] W. Seidel, “Model development and annual simulation of the supercritical carbon dioxide Brayton cycle for concentrating solar power applications”, tesis doctoral, University of Wisconsin-Madison, 2011. [23] Mathworks, Matlab. Computer Program. Massachusetts: MATLAB, 2014. [24] E. W. Lemmon, M. L. Huber y M. O. McLinden, “NIST standard reference database 23: reference fluid thermodynamic and transport properties-REFPROP”, [Tech. rep.], version 9.1. Standard Reference Data Program, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, 2013. [25] S. Mishra, “Some new test functions for global optimization and performance of repulsive particle swarm method”, 2006. Disponible en: SSRN 926132. [26] S. M. Besarati y D. Y. 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Objetivo: En este estudio se busca determinar el impacto de los parámetros de funcionamiento de un ciclo Brayton súper crítico respecto a  su comportamiento energético y exergético a medida que se realiza la variación de la temperatura del ciclo y demás condiciones de trabajo, tales como uso de calentador y recalentador. Metodología: Se realizó un modelo termodinámico para el análisis energético y exergético de 4 configuraciones de un ciclo Brayton súper crítico con dióxido de carbono como fluido de trabajo, a variados niveles de temperatura y garantizando una presión máxima de 25 MPa. Resultados: Los resultados obtenidos del modelo desarrollado y validado, permitieron verificar que para las configuraciones con recalentamiento se presentan pérdidas totales de exergía consistentemente más bajas que para las configuraciones sin este.  Conjuntamente la temperatura de entrada a la turbina y las relaciones de presión tienen una influencia significativa sobre estas pérdidas, obteniéndose su valor mínimo a temperaturas de entre 800-850 °C. Conclusiones: Las pérdidas totales de exergía son menores en las configuraciones que implementan el uso de recalentador que las que no lo usan. Se aprecia que con el uso de recalentador las pérdidas de exergía disminuyen en al menos 3 puntos porcentuales a medida que aumenta la temperatura para todas las configuraciones.Introduction: Nowadays, the thermodynamic modeling of the power cycles is conceived as an appropriate device which allows analyzing and determining the adaptability of several cycles as well the implementation and combination of a number of components whose characteristics and performing work appropriately on the generation of energy, beside of this, the relevant use of environmentally friendly technologies was taking into account as a relevant factor. Objective: This research work intends to determine the impact of the performance parameters from the supercritical Brayton cycle related to its energetic and exergetic performance as the variation of the temperature of the cycle as well alternative working conditions are executed by using the reheater and heater systems. Methodology: This research project used a thermodynamic model to carry out the energy and exergy analysis from four configurations of the supercritical Brayton cycle along carbon dioxide as a working fluid through several levels of temperature, also a maximum pressure of 25 MPa was ratified. Results: The obtained results have shown the developed and assessed model allowed to demonstrate the configurations through reheat; as for energy there exist a consistent lack of it with regards to the use of the mentioned systems as these have been not configured. In addition, the temperature related to the inlet of the turbine and the pressure ratios have a relevant influence on these lacks by obtaining its minimum value at temperatures between 800-850 ° C. Conclusions: It can be said that the total lack of exergy is minor as the configurations from the reheater system as it is applied, in other words, it is estimated that through the use of the mentioned system the percentage of reduction aims to three percent as the temperatures increase for the whole configurations.application/pdfspaUniversidad de la CostaINGE CUC - 2018https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2https://revistascientificas.cuc.edu.co/ingecuc/article/view/1803ModellingEnergyExergyReheatBrayton CycleModelamientoEnergíaExergíaRecalentamientoCiclo BraytonAnálisis exergético de un ciclo Brayton supercrítico con dióxido de carbono como fluido de trabajoExergetic analysis of a supercritical Brayton cycle with carbon dioxide as working fluidArtículo de revistahttp://purl.org/coar/resource_type/c_6501http://purl.org/coar/resource_type/c_2df8fbb1Textinfo:eu-repo/semantics/articleJournal articlehttp://purl.org/redcol/resource_type/ARTinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85Inge CucF. Barrozo, G. Valencia y Y. Cárdenas, “An Economic evaluation of renewable and conventional electricity generation systems in shopping center using HOMER Pro”, Contemporary Engineering Sciences, vol. 10, no. 26, 1287- 1295, 2017. [2] G. Amador, J. Duarte, J. García, A. Rincón, A. Fontalvo, A. Bula y R. Padilla, “Maximun power from fluid flow by applying the first and second laws of thermodynamics”, Journal of Energy Resources Technology, ASME, vol. 139, no. 3, 2016. http://dx.doi.org/10.1115/1.4035021 [3] H. Chen, “The conversion of low-grade heat into power using supercritical Rankine cycles,” tesis de maestría, University of South Florida, 2010. [4] A. I. Kalina, “Combined cycle and waste heat recovery power systems based on a novel thermodynamic energy cycle utilizing low-temperature heat for power generation”, American Society of Mechanical Engineers, Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air, at the Joint Power Generation Conference: GT papers, 1983. https://doi.org/10.1115/83-JPGC-GT-3 [5] Y. D. Goswami, “Solar thermal power technology: present status and ideas for the future”, Energy sources, vol. 20, no. 2, pp. 137-145, 1998. https://doi.org/10.1080/00908319808970052 [6] A. Fontalvo, H. Pinzón, J. Duarte, A. Bula, A. González, “Exergy analysis of a combined power and cooling cycle”, Applied Thermal Engineering, vol. 60, no. 1, pp. 164-171, 2013. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2013.06.034 [7] E. D. Rogdakis y K. A. Antonopoulos, “A high efficiency NH3/H2O absorption power cycle”, Heat Recovery Systems and CHP, vol. 11, no. 4, pp. 263-275, 1991. https://doi.org/10.1016/0890-4332(91)90072-C [8] C. S. Turchi, Z. Ma, T. W. Neises y M. J. Wagner, “Thermodynamic study of advanced supercritical carbon dioxide power cycles for concentrating solar power systems”, Journal of Solar Energy Engineering, vol. 135, no. 4, 2013. https://doi.org/10.1115/1.4024030 [9] R. Padilla, Y. Chen, R. Benito y W. Stein, “Exergetic analysis of supercritical CO2 Brayton cycles integrated with solar central receivers”, Applied Energy, vol. 148, pp. 348- 365, 2015. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.03.090 [10] R. Padilla, A. Ramos, G. Demirkaya, S. Besarati, D. Goswami, M. Rahman y E. Stefenakos, “Performance analysis of a Rankine cycle integrated with the Goswami combined power and cooling cycle”, Journal of Energy Resources Technology, vol. 143, no. 3, 2012. [11] Tzu-Chen Hung, “Waste heat recovery of organic Rankine cycle using dry fluids”, Energy Conversion and Management, vol. 42, no. 5, pp. 539-553, 2001. https://doi.org/10.1016/S0196-8904(00)00081-9 [12] Y. Chen, P. Lundqvist, A. Johansson y P. Platell, “A comparative study of the carbon dioxide transcritical power cycle compared with an organic Rankine cycle with R123 as working fluid in waste heat recovery”, Applied Thermal Engineering, vol. 26, no. 17, pp. 2142-2147, 2006. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2006.04.009 [13] V. Dostal, M. J. Driscoll y P. Hejzlar, “A supercritical carbon dioxide cycle for next generation nuclear reactors”, Dept. of Nuclear Engineering, Massachusetts Institute of Technology, 2004. [14] M. D. V. Kulhánek, “Thermodynamic analysis and comparison of supercritical carbon dioxide cycles”, de Proceedings of Supercritical CO2 Power Cycle Symposium, 2011. [15] A. Moisseytsev y J. J. Sienicki, “Investigation of alternative layouts for the supercritical carbon dioxide Brayton cycle for a sodium-cooled fast reactor”, Nuclear Engineering and Design, vol. 239, no. 7, pp. 1362-1371, 2009. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2009.03.017 [16] J. 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