Cicli di potenza operanti a miscele di CO2 e C6F14. Caratterizzazione del fluido di lavoro e analisi delle prestazioni

Supercritical carbon dioxide Brayton cycles have been thoroughly studied and applied since the 1950s for exploiting high–grade heat sources. In the past years, with the aim of exploiting both low-grade heat sources and waste heat, the interest on CO2 application as working fluid in transcritical cycles has increased. However, low critical temperature of CO2 (≈30°C) entails the need for a cycle cooling source being at less than 15°C, which is not always available. With the aim of addressing such limitation the utilization of a second fluid in mixture with CO2 has been considered. This allows to achieve higher critical temperatures. Due to the total absence of studies available in the literature no volumetric thermodynamic data were available, and thus the first part of this work focused on experimental evaluation of thermodynamic properties of CO2 and perfluorohexane (C6F14). Experiments were performed at LEAP (Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza). During experiments three different molar compositions of the mixture (98, 95 e 90% of CO2) were tested. Measurements of the density of the mixtures were taken along isothermal transformations., in which the Pressure was changed along a quasi-static process. The next stage focused on the calibration of a thermodynamic model based on cubic equations of state, with the aim of representing with high accuracy the thermodynamic properties of the mixtures studied. The highest accuracy in representing the thermodynamic properties of the blends was obtained by applying a modified Peng-Robinson equation. The volumetric translation coefficient presented by Peneloux in his work was used. Computational simulations were performed using Aspen Plus on supercritical and transcritical Brayton cycles. During the simulation the previously introduced mixtures were used as working fluids. Results showed a decrease of the efficiency when the minimum temperature of the cycle was increased. This was due to the reduction of the temperature difference between the cold and hot source. Despite so, an increase of cycle’s performance was observed when mixtures with higher C6F14 molar fractions were applied, in comparison with a pure CO2 supercritical cycle. This was due to the higher critical temperatures of the mixtures which need less work for the compression process, being in the liquid state at the pump inlet conditions.

I cicli supercritici Brayton ad anidride carbonica rappresentano una tecnologia per la produzione di potenza ampiamente studiata e applicata, già a partire dagli anni ’50, per lo sfruttamento di fonti di calore ad elevata temperatura. Negli anni recenti è accresciuto l’interesse verso l’utilizzo della CO2 come fluido di lavoro in cicli transcritici per sfruttare sorgenti di calore a bassa temperatura. La bassa temperatura critica della CO2 (≈30°C) richiede tuttavia temperature per il ciclo di raffreddamento inferiori ai 15°C, non sempre disponibili. Per ovviare a tale limitazione è stata valutata la possibilità di utilizzare un secondo fluido in miscela con la CO2 che permettesse di ottenere una temperatura critica più elevata, per applicazioni più flessibili dei cicli transcritici. A causa della totale assenza, in letteratura, di dati termodinamici volumetrici relativi a tale miscela, la prima parte di questo lavoro si è focalizzata sullo studio sperimentale delle proprietà termodinamiche della miscela di anidride carbonica e perfluoroesano (C6F14). La campagna sperimentale è stata effettuata presso il LEAP (Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza), in cui la miscela è stata analizzata a tre differenti composizioni molari, rispettivamente 98, 95 e 90% di CO2. Sono state condotte misure di densità delle miscele lungo trasformazioni isoterme, al variare della pressione in maniera quasi-statica. La fase successiva si è rivolta alla calibrazione di un modello termodinamico basato su equazioni di stato cubiche che fosse in grado di rappresentare con elevata accuratezza le proprietà termodinamiche delle miscele studiate. I risultati ottenuti mostrano che il modello più accurato nella descrizione delle proprietà termodinamiche delle miscele è rappresentato dalla formulazione di Peng-Robinson, corretta con l’introduzione del coefficiente di traslazione del volume proposto da Peneloux. Sono state condotte simulazioni di cicli Brayton supercritici e cicli transcritici su Aspen Plus, aventi le miscele studiate come fluidi di lavoro. I risultati evidenziano che all’aumentare della temperatura minima del ciclo, nonostante una generale diminuzione dell’efficienza per la riduzione della differenza di temperatura tra sorgente calda e fredda, l’utilizzo di miscele con frazioni molari di C6F14 più elevate, e dunque aventi temperature critiche maggiori, porta a rendimenti di ciclo superiori al ciclo di riferimento a CO2 pura, grazie al ridotto lavoro necessario per la compressione in fase liquida.