Análise teórica de ciclos Brayton à base de dióxido de carbono supercrítico para sistemas heliotérmicos lineares Fresnel de alta concentração

Abstract

Realizou-se uma análise de um ciclo de potência a gás à base de dióxido de carbono supercrítico (sCO2) com energia heliotérmica proveniente de um coletor Fresnel linear (CFL), por meio da composição e da solução numérica das equações que os regem, baseada em balanços de energia com as entalpias específicas e correlações disponíveis na literatura. Ambas tecnologias estão em desenvolvimento e possuem um grande potencial para aumento de eficiência e redução de custos. Recentes avanços na tecnologia Fresnel, com a utilização de refletores secundários e receptores evacuados, possibilitaram atingir temperaturas superiores a 500°C, viabilizando a utilização de um ciclo Brayton baseado em sCO2. Analisou-se a dependência da eficiência do ciclo em relação a diversos parâmetros, como a temperatura e pressão na entrada da turbina, a temperatura e pressão na entrada do compressor, a razão de by-pass no recompressor, assim como a utilização de recompressão, reaquecimento e resfriamento intermediário. Os regeneradores de baixa e alta temperatura foram modelados considerando o método do pinch mínimo e as tensões máximas admissíveis conforme o código ASME BPVC, Seções II e VIII, permitindo assim a determinação da condutância térmica, do coeficiente de transferência de calor e da perda de carga. O desempenho de um coletor Fresnel evacuado de alta concentração e sua influência no ciclo de potência foi avaliado, na condição de design para pressões na entrada da turbina de 16 a 34 MPa e temperaturas de 350 °C a 570 °C, assim como a viabilidade de aquecimento direto de sCO2, considerando aspectos térmicos e construtivos. Adicionalmente, a perda de calor, perda de carga e a eficiência térmica dos receptores foram determinadas e comparadas com os resultados do software EBSILON Professional. Os resultados indicaram que o uso de reaquecimento no ciclo com recompressão proporciona um aumento médio de eficiência de 5%, aumentando a eficiência térmica de 0,42 para 0,44, para uma temperatura na entrada da turbina de 500°C e pressão de 20 MPa. Além disso, com o uso de resfriamento intermediário no compressor principal, um ganho de até 2% pode ser atingido, resultando em uma eficiência térmica de até 45% nestas condições. Verificou-se um ganho linear de eficiência térmica do ciclo de potência com o aumento da temperatura na entrada da turbina para todos os casos. Entretanto, a eficiência do coletor decai exponencialmente com o aumento da temperatura devido às perdas de calor. Assim, o pico de eficiência combinada do coletor e do ciclo de potência em relação a temperatura na entrada da turbina nas condições estudadas ocorre em aproximadamente 550 °C para uma incidência solar perpendicular de 1000 W/m2.

Abstract: An analysis of a supercritical carbon dioxide (sCO2) power cycle with heliothermic energy from a linear Fresnel collector (LFC) is made, by the composition and numerical solution of the governing equations, based on energy balances with the specific enthalpies and correlations available in the literature. Both technologies are under development and have great potential for increasing efficiency and reducing costs. Recent advances in Fresnel technology, with the use of secondary reflectors and evacuated receivers, have made it possible to reach temperatures above 500 °C, enabling the use of a sCO2-based Brayton cycle. The cycle efficiency dependence on various parameters was analyzed, such as the turbine inlet temperature and pressure, the compressor inlet temperature and pressure, the by-pass ratio in the recompressor, as well as the use of recompression, reheat and intercooler. The low and high temperature regenerators were modeled considering the minimum pinch method and the maximum allowable stresses according to the ASME BPVC code, Sections II and VIII, thus allowing the determination of thermal conductance, heat transfer coefficient and pressure loss. The performance of a high concentration evacuated Fresnel collector and its influence on the power cycle was evaluated, in the design condition, for turbine inlet pressures from 16 to 34 MPa and temperatures from 350 °C to 570 °C, as well the sCO2 direct heating viability, considering thermal and constructive aspects. Additionally, heat losses, pressure losses and the thermal efficiency of the receivers were determined and compared with the results of the EBSILON Professional software. The results indicated that the use of reheating in the cycle with recompression provides an average efficiency increase of 5%, increasing the thermal efficiency from 0.42 to 0.44 for a turbine inlet temperature of 500 °C and a pressure of 20 MPa. In addition, with the use of intermediate cooling in the main compressor, a gain of up to 2% can be achieved, resulting in a thermal efficiency of up to 45% in these conditions. There was a linear gain in thermal efficiency of the power cycle with increasing temperature at the turbine inlet for all cases. However, the collector efficiency declines exponentially with increasing temperature due to heat losses. Thus, the combined peak efficiency of the collector and the power cycle in relation of turbine inlet temperature under the studied conditions occurs at approximately 550 °C for a perpendicular solar incidence of 1000 W/m2.